一种采用电感抽头的高精度数控lc振荡器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于集成电路技术领域，涉及一种数控振荡器，具体涉及一种采用电感抽 头的数控LC振荡器。
【背景技术】
[0002] 锁相环是现代电子系统的核心电路之一，是最常见的频率源。集成电路 (Integrated Circuits, IC)工艺技术的发展，使得数字化锁相环技术成为可能。相比于模 拟锁相环，数字锁相环的特性受工艺、电压和温度波动的影响较小，有着更好的稳定性。
[0003] 数字锁相环利用数字码来控制振荡器，其输出频率不像压控振荡器一样是连续 值，只能是不同控制码对应的一系列分立频率值。在数字锁相环中，这些分立的频率值与所 需的频率之间存在着误差，即数控振荡器的量化误差。这些量化误差会在环路中引入额外 的量化噪声，最终叠加到锁相环的最终频率，导致输出相噪声的恶化。因此，数控振荡器输 出的频率精度越高，其量化误差也就越小，从而对相噪声的影响也就越小。
[0004] 图1是典型的电感电容振荡器（LC Oscillator，以下简称LC振荡器），由电感电 容组成的谐振网络和正反馈放大电路构成，其振荡频率可表示为：
[0006] 其中，Ltl和C ^为谐振网络的电感和电容值，C p为寄生电容。通过改变电感L ^或电 容Q1可以调节振荡器的振荡频率。一般来说，电感值难以精确控制和调节，因此数控振荡 器中电容Q1-般通过开关电容阵列实现频率调节。然而由于集成电路工艺中可实现的电 容值不能无限小，开关电容切换的电容精度是有限的，所调节的频率精度也是有限的。例如 一个2. 4GHz振荡器，其典型的电感电容值分别为2nH和2. 2pF。而一个典型的180nm工艺 中提供的最小电容在IOfF量级，每增加或减少一位电容可使振荡频率改变5. 4MHz，这样的 频率精度难以满足锁相环的要求。
[0007] 现有技术往往通过改进开关电容阵列来提高数控振荡器的精度，如利用电容的串 并联关系以获得更小的电容值。这些技术虽然能将精度提高数倍，但仍受限于集成电路工 艺所能提供的最小电容，也增加了电容阵列的设计复杂度。
【发明内容】
[0008] 针对数控振荡器的精度问题，本发明提出了一种采用电感抽头的数控LC振荡器， 从而在有限的最小电容值下，实现更高的频率精度。
[0009] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0010] 一种采用电感抽头的高精度数控LC振荡器，其特征在于，在传统LC振荡器的电感 中间的设定位置选择抽头，并在抽头处接入另一开关电容阵列作为细调电容阵列。
[0011] 进一步的，电感中间的抽头可以选择一个或一对抽头。当选择一个抽头时，细调电 谷阵列接在抽头〗而与电感一〗而；当选择一对抽头时，细调电谷阵列接在两个抽头〗而。所述电 感可以为任何形式的电感，包括方形、多边形、单圈、多圈、单层金属或叠层电感。
[0012] 进一步的，所述抽头的位置决定了数控振荡器的频率精度，根据频率精度要求设 计和下文的计算确定的抽头位置。
[0013] 图2为采用一对抽头时示意图，在谐振网络的电感Ltl中进行抽头，两个抽头将电 感分为U、M 5PLt三部分，即Ltl= L i+L2+LT。若在电感抽头间插入的细调电容阵列电容为 Ct。则其振荡频率可近似表示为
[0015]其中e =lt/lq。由此可见，电容cjp cT上改变相同的电容值，最终振荡频率变 化量相差e2。即加入抽头后，数控振荡器的频率精度提高了 i/e2倍。
[0016]米用Iv抽头时，抽头将电感分为1^和L T两部分，则L〇=L i+LT，|3 = LT/LQ，仍然 可以依据公式（2)确定抽头位置。
[0017] 缩短细调电容阵列间抽头的距离，即减小抽头间的电感1^，从而减小0，可以提高 数控振荡器的频率精度。
[0018] 进一步的，所述数控振荡器的粗调和细调电容阵列可以是由任何形式开关电容单 元组成的阵列。电容也可以选择CMOS工艺中金属板电容（MM电容或MOM电容）、多晶硅电 容（PIP电容）或者金属-氧化物-半导体电容（M0S电容）。
[0019] 进一步的，所述数控振荡器的负阻电路或者正反馈网络可以任何形式，有源器件 也可以MOS晶体管或者三极管等。
[0020] 本发明利用电感抽头来提高数控振荡器的频率精度。与现有的高精度数控振荡器 方案相比，本发明的优点在于：
[0021] 1)频率精度高：本方案通过调节抽头电感与整个差分电感的比例，可以将数控振 荡器的频率精度提高1~2个数量级；
[0022] 2)结构简单：在传统的数控振荡器结构中，本方案仅在其电感抽头位置加入一个 传统的开关电容阵列，无需其他复杂的电容串并联结构或数模转换器结构；
[0023] 3)设计灵活：本发明中，如要继续提高数控振荡器的频率精度，可以选择提高电 容阵列的精度，也可以选择改变抽头位置。从而在工艺限制和设计可靠性中取得良好的折 中。
[0024] 4)对工艺要求低：本方案对电容精度要求低，在传统的低成本工艺中也可以得到 良好的频率精度，有效地降低了设计和制造成本；
[0025] 5)可与其他高精度方案相结合：现有的高精度数控振荡器方案之间难以有效的 结合。而本方案的细调电容阵列中，可灵活采用已有的高精度方案，以进一步提高数控振荡 器精度。
【附图说明】
[0026] 图1是一种基于电感-电容的数控振荡器典型结构图；
[0027] 图2是加入抽头和细调阵列的电感电容谐振网络示意图；
[0028] 图3是一种基于电感抽头的数控振荡器的范例；
[0029] 图4是CMOS工艺中电感抽头的一种具体实现方式；
[0030] 图5是本发明范例中所采用的开关电容单元结构图。
【具体实施方式】
[0031] 下面通过具体实施例，并配合附图，对本发明做详细的说明。
[0032] 图3是本发明的一个具体范例，在CM0S180nm工艺中实现。其基本结构与传统电 感-电容振荡器类似。负阻电路由一对交叉耦合的NMOS和一对PMOS管组成。NMOS管匪1 和NM2尺寸为6*6 ym/250nm，PMl和PM2尺寸为16*12 ym/250nm。此外，在NMOS管的源端 加入了一组电阻阵列，通过调节不同的尾电阻值来调节振荡器的工作电流。电阻阵列由8 个96欧姆的多晶硅电阻构成。
[0033] 与传统振荡器不同的是本发明中所提出的电感-电容网络。如图4所示，在CMOS 工艺中利用顶层厚金属Metal6和次顶层金属Metal5定制了振荡器的电感。本范例中选择 了两圈方形电感，其内径280 y m，线宽为12 y m，线间距I. 5 y m。电感从次顶层金属Metal5 引出，引出点为OP和ON。抽头点位于电感中心点两侧约109. 5 ym处，利用顶层金属Metal6 引出，引出点为TAPP和TAPN。
[0034] 粗调电容阵列和细调电容阵列均由相同的开关电容单元构成。每个单元选择如图 5所示的传统结构，由三个开关晶体管M0、M1、M2和一对MM电容C1、C2构成。在控制信号 为高电平时，所有晶体管导通，OP和ON对地电容值近似等于C1/C2 ;在控制信号为低电平 时，所有晶体管截止，OP和ON对地电容近似为三个晶体管源漏端的对地寄生电容CP。因此 在控制信号跳变时，电容单元会变换电容AC = C1/C2-CP。
[0035]在本范例中，MO、Ml、M2 尺寸分别为 7 y m/180nm、I y m/180nm、I y m/180nm。粗调 电容阵列由8bit数字控制，共256个开关电容单元，MIM电容尺寸为4 ymx6ym，其电容值 约23. 3fF，粗调电容阵列最小电容变化约18. 3fF。细调电容阵列由9bit数字控制，共512 个开关电容单元，MIM电容尺寸为4 y mx4 y m，电容值约15. 5fF，细调电容阵列最小电容变 化约7. 5fF。
[0036] 粗调电容阵列接在图4电感OP和ON之间，细调电感阵列接在图4电感的TAPP和 TAPN之间。仿真和测试结果显示，在CMOSlSOnm工艺中，本发明的结构可以将数控振荡器精 度提高到7. 6kHz，相比于传统结构提高了约120倍。
[0037] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术 人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本 发明的保护范围应以权利要求所述为准。
【主权项】
1. 一种采用电感抽头的高精度数控LC振荡器，其特征在于，在LC振荡器的谐振网络中 的电感设定位置设置一对抽头，通过该对抽头接入一开关电容阵列，即细调电容阵列。2. 如权利要求1所述的数控LC振荡器，其特征在于，根据公式'设置所述抽头位置的位置；其中，f为数控LC振荡器的频率，该对 抽头将所述电感划分为三部分，该三部分电感的电感值分别为U、1^和LT，所述电感的电感 值LQ=Li+L2+LT，LT为该对抽头间电感部分的电感值，=LT/LQ;CT为该细调电容阵列的 电容值，Q为该谐振网络中电容阵列的电容值。3. 如权利要求1或2所述的数控LC振荡器，其特征在于，所述电感为方形电感、多边形 电感、单圈电感、多圈电感、单层电感或叠层电感。4. 如权利要求1或2所述的数控LC振荡器，其特征在于，所述电容阵列可以选择金属 板电容、多晶硅电容或金属_氧化物_半导体电容。5. 如权利要求1或2所述的数控LC振荡器，其特征在于，所述振荡器的负阻电路或正 反馈网络可以选择MOS晶体管、三极管。6. -种采用电感抽头的高精度数控LC振荡器，其特征在于，在LC振荡器的谐振网络中 的电感设定位置设置一抽头，并通过该抽头与该电感的一端接入一开关电容阵列，即细调 电容阵列。7. 如权利要求6所述的数控LC振荡器，其特征在于，根据公式'设置所述抽头位置的位置；其中，f为数控LC振荡器的频率，该抽 头将所述电感划分为两部分，该两部分电感的电感值分别为LdPLT，所述电感的电感值U=Li+Lt，0 =Lt/L(i;cA该细调电容阵列的电容值，C(i为该谐振网络中电容阵列的电容值， 。为与所述细调电容阵列并联部分的电感值。8. 如权利要求6或7所述的数控LC振荡器，其特征在于，所述电感为方形电感、多边形 电感、单圈电感、多圈电感、单层电感或叠层电感。
【专利摘要】本发明公开了一种采用电感抽头的高精度数控LC振荡器，其特征在于，在传统LC振荡器的电感中间的设定位置选择抽头，并在抽头处接入另一开关电容阵列作为细调电容阵列。电感中间的抽头可以选择一个或一对抽头。当选择一个抽头时，细调电容阵列接在抽头端与电感一端；当选择一对抽头时，细调电容阵列接在两个抽头端。本发明可以在有限的最小电容值下，实现更高的频率精度。
【IPC分类】H03B5/12
【公开号】CN104993794
【申请号】CN201510363970
【发明人】廖怀林, 杨帆, 王润华, 刘晓哲, 翁轩锴, 刘军华
【申请人】北京大学
【公开日】2015年10月21日
【申请日】2015年6月26日