[发明专利]LC振荡器

说明书

技术领域

本发明涉及LC振荡器，尤其涉及包括用于调整振荡器的输出频率的一组可切换电容器的LC振荡器。

背景技术

已知，锁相环(PLL)为用于生成与基准信号具有预定频率关系的信号的电路。在其最基本的构成中，锁相环包括通过反馈环控制的振荡器。反馈环获取振荡器的输出，将其与基准信号进行比较，并据此调整振荡器。反馈环通常包括：分频器(divider)，用于对输出信号进行分频；相位比较器，用于将分频信号的相位与基准信号进行比较；以及电荷泵，用于根据相位比较结果输出加速或减缓该振荡器的电荷脉冲。锁相环通常还包括滤波器，用于在电荷脉冲到达振荡器输入端之前从其中消除寄生噪声。

PLL设计近来的趋势是尽可能地实现数字化。“数字”PPL通常类似于模拟PPL，但是相位误差被转换为数字信息而不是通过电荷泵转换为电压。然后，数字信息可以被处理并被反馈以数字控制振荡器的频率。数字控制频率的一个优点在于，可以在振荡器输入端进行各种校准和补偿调节。实例包括：有源牵引补偿(active pulling compensation)以及开环相位调制(open loop phase modulation)。然而，为了使数字控制可使用，数字信号必须能够精确地控制振荡器频率。

图1示出了LC振荡器的简单示意图。振荡器一般被示为101，包括与电容器103并联的电感102。当电容器103带电时，其通过电感102放电，使得在线圈周围产生反抗电容器放电的磁场。一旦电容器已经完全放电，则线圈周围的磁场衰减，在反方向上对电容器再充电。这个过程生成正弦波，如果不是电源105，该正弦波将由于电阻而在每个周期损失电压。使用FET 104来适当地保持电路振荡。振荡输出在106生成。

存在可以用来提供振荡器频率的数字控制的两种主要实现方式。第一种在图2中示出。以201示出的振荡器除了包括电容器203和电感202之外还包括变容二极管204。可以将变容二极管用来改变通过电感202看去的电容，从而改变由振荡器输出的信号207的频率。这种实现方式存在的问题在于变容二极管的线性。变容二极管通常仅在小的电压范围上(典型地，在整个范围的四分之一上)是线性的。这对于需要宽范围频率调谐和良好线性的极性环发射器(polar loop transmitter)来说是个问题。而且，在数模转换器(DAC)的热噪声和闪变噪声调制变容二极管时，数模转换器(DAC)和变容二极管的组合增加了振荡器的相位噪声。因此，这种方法仅适合于小频率调谐范围，例如，以1kHz为步长的几MHz的范围。

图3中示出了另一种可选实现方式。大致以301示出的振荡器包括可变电容器303。可变电容器的适当实现方式为一组可切换的单位电容。该方法通常在变容二极管的选择上是优选的，因为一组电容器提供非常线性的和精确的频率步长。该方法存在的问题在于，单位电容器的大小会变得很小，以致于从实际意义上来看不能实现。作为实例，如果最大振荡器频率为4.8GHz且希望的步长大小为2MHz，具有2nH电感的振荡器将需要总共0.5pF的电容，这是可接受的。然而，需要提供所要求的步长大小的单位电容为0.1fF。通常可以用于集成电路中的最小电容大约为10～15fF。0.1fF太小而被集成电路中的金属通路的电容超过。已经提出了很多解决方案来解决该问题。

第一种选择使用非常小的电感，相对增大电容，从而使其变得可以接受。缺点在于VCO电流随总电容值而线性增大。在给定的上述实例中，为了使基本电容增加到可接受水平，总电流将必须至少乘以十。

第二种选择使用诸如图4中所示的分容器(capacitive divider)。图4示出了可以被用于将电容器组(capacitive bank)连接到电感的端部的分容器。电感的端部可以连接在固定电容器401的两端。该电容器与另一个固定电容器402和电容器组403串联连接。因为电感通过分容器“看”电容器组，所以电感其自身两端上的电容的变化将小于电容器组的任何变化。因此，可以使电容器组的电容作出最小变化以产生比其它情况下小的振荡器的输出频率的步长变化。换而言之，基本电容器的大小可以以给定步长大小增加。然而，该方法存在的问题在于，通过电感看去的总电容不是切换为电容器组的电容器的个数的线性函数，而是以下电容：