用于压控振荡器增益补偿和相位噪声降低的可编程变容器

摘要

一种可编程变容器设备可包括由多个数字变容器位所控制的多个二进制加权变容器。一种可编程变容器设备可包括：多个二进制加权变容器；以及控制器，其用以选择性地停用所述多个二进制加权变容器中的一者或一者以上以减少所述可编程变容器设备的有效电容。一种用于改变可编程变容器设备的有效电容的方法可包括：提供多个二进制加权变容器；以及停用所述多个二进制加权变容器中的一者或一者以上以减少所述可编程变容器设备的所述有效电容。

说明书

本申请案主张2006年12月12日申请的标题为“用于压控振荡器增益补偿和相位噪声降低的可编程变容器(PROGRAMMABLE VARACTOR FOR VCO GAINCOMPENSATION AND PHASE NOISE REDUCTION)”的第60/869,682号美国临时申请案的优先权。

技术领域

本发明大体涉及压控振荡器(VCO)。更特定来说，本发明涉及用于VCO的可编程变容器。

背景技术

电子振荡器可为产生电信号的电子电路。压控振荡器(VCO)可为电子振荡器。VCO可用于(例如)无线电收发器(例如，移动电话)中。

VCO输出信号的频率可由VCO的输入调谐电压控制。所述频率可由具有特定电容的可变电容器调谐。如所示，所述特定电容可为输入调谐电压的函数：

$f\left(C\right)=\frac{1}{2\pi \sqrt{\mathrm{LC}}},$C＝C₀+C_CT+C_VAR(V)，

$K_V=\left|\frac{\mathrm{df}}{\mathrm{dV}}\right|=\left|\frac{\mathrm{df}}{\mathrm{dC}}\frac{\mathrm{dC}}{\mathrm{dV}}\right|=2{\pi }^2{\mathrm{Lf}}^3\left|\frac{\mathrm{dC}}{\mathrm{dV}}\right|\propto {2\pi }^2{\mathrm{LN}}^3\left|\frac{\mathrm{dC}}{\mathrm{dV}}\right|$

其中L为VCO储槽电路电感，C为总储槽电路电容，C₀为寄生槽电容，C_CT为粗调谐组电容，C_VAR为变容器电容，N为锁相回路(PLL)计数器值(划分比率)，V为变容器控制电压，且K_V为VCO增益的量值。当PLL经定时时，VCO振荡频率等于目标频率，即，f＝N*f_ref，其中f_ref为PLL参考频率。

如上文所示，VCO增益K_V与f³成比例。归因于频率调谐范围的宽度(即，f和N的较大范围)，VCO增益变化在VCO频率范围内非常大，其中视实际频率跨度而定，从频率范围的高端到低端具有2∶1到8∶1的比率。

存在与较大VCO增益变化相关联的缺点。PLL带宽随VCO增益而变化，从而引起毛刺噪声和整合相位噪声问题。PLL动力学也变化，从而引起稳定时间问题。根据李森(Leeson)方程式，相位噪声在较高频率下更糟，且归因于振幅调制到相位调制(AM-PM)转换而在具有较高VCO增益的情况下变得更糟。如上文所示，VCO增益在较高频率下较大，此使得相位噪声变得甚至更糟。

传统上，通过调整电荷泵电流(即，在VCO增益较高时减少电荷泵电流I_CP，且反之亦然)来完成VCO增益补偿。尽管在VCO增益与I_CP的乘积恒定的情况下回路传递函数H(s)保持相同，但来自回路滤波器电阻器R的噪声具有针对不同VCO增益的不同传递函数：

$L_R\left(s\right)=4\mathrm{KTR}\frac{C_Z}{C_Z+C_{P}1+s{\mathrm{RC}}_Z{C}_P/(C_Z+C_P)}{\left|\frac{K_V/s}{1+H\left(s\right)}\right|}^2$

其中C_Z和C_P分别为零回路电容器和极回路电容器，R为PLL回路滤波器电阻器，K为波耳兹曼(Boltzmann)常数1.38e-23焦耳/开尔文(Joule/Kelvin)，且T为开尔文温度。较高K_V导致来自回路滤波器电阻器的较多噪声成份。

可看出，需要改进式VCO增益补偿。具体来说，需要以与通过调整电荷泵电流不同的方式来维持相对恒定的VCO增益。

发明内容

一实施例包括一种可编程变容器设备，所述可编程变容器设备包括：多个二进制加权变容器；以及控制器，其用以选择性地停用多个二进制加权变容器中的一者或一者以上以减少可编程变容器设备的有效电容。

另一实施例包括一种可编程变容器设备，所述可编程变容器设备包括：多个二进制加权变容器；多个位，其用以通过选择性地停用多个二进制加权变容器中的一者或一者以上以减少可编程变容器设备的有效电容来控制多个二进制加权变容器。

另一实施例包括一种压控振荡器，所述压控振荡器包括：信号输出，其用以输出在一频率下的信号；输入调谐电压，其用以影响信号的频率；增益；以及可编程变容器设备。可编程变容器设备包括：多个二进制加权变容器；以及多个控制线，每一控制线对应于多个二进制加权变容器中的一者，用以选择性地停用多个二进制加权变容器中的一者或一者以上以维持增益的大体上恒定值而不管频率的值，其中多个控制线中的一者或一者以上基于与频率成比例的计数器值来选择性地停用多个二进制加权变容器中的一者或一者以上。

再另一实施例包括一种可编程变容器设备，所述可编程变容器设备包括：固定启用变容器；多个二进制加权变容器；多个控制线，每一控制线对应于多个二进制加权变容器中的一者，用以选择性地停用多个二进制加权变容器中的一者或一者以上以减少可编程变容器设备的有效电容；以及变容器位，其用以基于与目标振荡器频率成比例的计数器值来控制多个控制线。

又另一实施例包括一种可编程变容器设备，所述可编程变容器设备包括：用于提供多个变容器的装置；以及用于控制多个变容器以改变可编程变容器设备的有效电容的装置。

一进一步实施例包括一种用于改变可编程变容器设备的有效电容的方法，所述方法包括：提供多个二进制加权变容器；以及停用多个二进制加权变容器中的一者或一者以上以减少可编程变容器设备的有效电容。

再一进一步实施例包括一种用于改变可编程变容器设备的有效电容的方法，所述方法包括：用于提供多个二进制加权变容器的步骤；以及用于停用多个二进制加权变容器中的一者或一者以上以减少可编程变容器设备的有效电容的步骤。

将参考以下图式、描述及权利要求书来更好地理解这些实施例。

附图说明

图1为根据本发明的一实施例的压控振荡器(VCO)的可编程变容器设备的示意性表示；

图2为根据本发明的另一实施例的VCO的可编程变容器设备的示意性表示；

图3a为包括根据本发明的一实施例的可编程变容器设备的电路中变容器电容相对于Vtune电压的曲线图；

图3b为包括根据本发明的一实施例的可编程变容器设备的电路中变容器灵敏度相对于Vtune电压的曲线图；

图4为具有来自根据本发明的一实施例的可编程变容器设备的补偿的模拟VCO增益变化的曲线图和不具有补偿的模拟VCO增益变化的曲线图；

图5a为具有来自根据本发明的一实施例的可编程变容器设备的补偿的所测量VCO增益变化的曲线图和不具有补偿的所测量VCO增益变化的曲线图；

图5b为变容器控制码(例如，图3a及图3b的控制码)相对于频率的曲线图；

图6a为根据本发明的一实施例的在6到7位粗调谐码映射中物理7位粗调谐码相对于逻辑6位粗调谐码的曲线图；

图6b为粗调谐频率阶跃相对于具有及不具有6到7位粗调谐码映射的粗调谐码的曲线图；

图7a为根据本发明的一实施例的在6到8位粗调谐码映射中物理8位粗调谐码相对于逻辑6位粗调谐码的曲线图；

图7b为粗调谐频率阶跃相对于具有及不具有6到8位粗调谐码映射的粗调谐码的曲线图；

图8a为包括根据本发明的一实施例的可编程变容器设备的电路中VCO增益相对于调谐电压的曲线图；

图8b为不使用可编程变容器设备的电路中VCO增益相对于调谐电压的曲线图；以及

图9为闭合回路合成器相位噪声相对于偏移频率的曲线图；

图10为用于改变根据本发明的一实施例的可编程变容器设备的有效电容的方法的流程图。

具体实施方式

以下详细描述为进行本发明的最普遍预期的模式。所述描述不以限制意义被采用，而仅为了说明本发明的通用原理的目的而进行，因为本发明的范围由随附权利要求书最好地界定。

概括地，本发明的实施例可包括经选择性地停用以使得VCO的VCO增益测量保持大体上恒定的多个变容器。实施例可用于利用VCO的多种应用中，包括无线电收发器(例如，移动电话)。

本发明的实施例可至少通过将变容器数字化为多个二进制加权变容器而不同于常规VCO。本发明的实施例也可至少通过提供位以控制多个二进制加权变容器而不同于常规VCO。本发明的实施例可至少通过为VCO提供具有变化电容的变容器而另外不同于常规VCO。本发明的实施例可至少通过基于与VCO频率成比例的计数器值来控制多个二进制加权变容器而进一步不同于常规VCO。

现参看图式，在整个图式中，类似参考符号表示对应部分。图1为根据本发明的一示范性实施例的压控振荡器(VCO)的可编程变容器设备100的示意性表示。可如下文所描述而基于VCO频率来调整可编程变容器设备100的灵敏度，使得VCO增益保持大体上恒定(例如，参见图4，其中VCO增益相对于不具有VCO增益补偿的状况而保持更恒定)。

可编程变容器设备100可包括由多个数字变容器位所控制的多个二进制加权变容器。在一实施例中，可编程变容器设备100可包括可保持启用的固定变容器102和由三个位所控制的三个额外分支的二进制加权变容器104、106、108。然而，在一替代实施例中，可编程变容器设备可包括不同数目的额外分支的二进制加权变容器和额外数目的位。举例而言，可编程变容器设备可包括两个、四个或任何其他适当数目的额外分支的二进制加权变容器和位。

在一实施例中，可编程变容器设备100可经由直流(DC)耦合而连接到储槽电路101。因此，可编程变容器设备100可直接连接到储槽电路。

可编程变容器设备100可包括控制线112、114、116。控制线112、114、116可如下文所论述而通过三个位来控制二进制加权变容器104、106、108中的一者(或一者以上)被启用还是停用。如果二进制加权变容器104、106、108中的一者将被启用，那么其控制线112、114、116可连接到Vtune(从PLL所产生的VCO调谐电压)。如果二进制加权变容器104、106、108中的一者将被停用，那么其控制线112、114、116可连接到接地，从而为所述特定分支产生零dC_VAR/dV。

在VCO增益可为最小的频率的低端(作为非限制性实例，3.2GHz)处，可启用所有变容器。即，可启用固定变容器102，和所有三个额外分支的二进制加权变容器104、106、108。随着频率朝向频率的高端(作为非限制性实例，4.4GHz)增加(即，N增加)，可停用某些二进制加权变容器，使得有效变容器电容(dC/dV)逐渐地减少。即，可逐一地停用二进制加权变容器104、106、108中的一者或一者以上，使得有效变容器电容逐渐地减少。因此，VCO增益可保持大体上恒定。举例而言，VCO增益变化可小于+/-10％。

可基于三个位来控制可编程变容器设备100的有效变容器电容。可始终启用固定变容器(Cvar)102。三个额外分支的二进制加权变容器104、106、108可由三个位控制。B0、B1和B2可表示三个二进制控制位。B2可为最高有效位。B0可表示最低有效位。B0b、B1b和B2b可为B0、B1和B2的补。最低有效位(000)的电容值可为Cvar0。对于001而言，电容值可为Cvar+Cvar0。对于010而言，值可为Cvar+2*Cvar0。对于011而言，值可为Cvar+3*Cvar0。对于100而言，值可为Cvar+4*Cvar0。对于101而言，值可为Cvar+5*Cvar0。对于110而言，值可为Cvar+6*Cvar0。对于111而言，值可为Cvar+7*Cvar0。Cvar2可等于2*Cvar1，2*Cvar1可等于4*Cvar0。可从可与VCO频率成比例的PLLN计数器值(例如，划分比率)导出三个位。

图2为根据本发明的另一实施例的VCO的可编程变容器设备200的示意性表示。

可编程变容器设备200可包括可保持启用的固定变容器202。可编程变容器设备200可包括由变容器位所控制的额外分支的二进制加权变容器204、206、208。图2描绘由三个位所控制的三个分支的二进制加权变容器204、206、208。在一替代实施例中，可编程变容器设备可包括不同数目的额外分支的二进制加权变容器和额外数目的位。举例而言，可编程变容器设备可包括两个、四个或任何其他适当数目的额外分支的二进制加权变容器和位。

可编程变容器设备200可经由交流(AC)耦合而连接到储槽电路201。因此，可编程变容器设备200可经由耦合电容器而连接到储槽电路。

可编程变容器设备200可包括控制线212、214、216。控制线212、214、216可通过三个位来控制二进制加权变容器204、206、208中的一者(或一者以上)被启用还是停用。如果二进制加权变容器204、206、208中的一者将被启用，那么其控制线212、214、216可连接到共模电压(V_CM)。如果二进制加权变容器204、206、208中的一者将被停用，那么其控制线212、214、216可连接到接地。V_CM可表示可为由偏压电路产生的DC电压的共模电压。Vtune-V_CM可为变容器控制电压V。偏压电阻器可将DC电压Vtune发送到变容器，同时针对高频信号(即，VCO振荡频率下的信号)提供变容器与Vtune的隔离。

图3a为包括根据本发明的一实施例的可编程变容器设备(例如，图1的可编程变容器设备100)的电路中变容器电容相对于Vtune电压的曲线图。图3b为包括根据本发明的一实施例的可编程变容器设备的电路中变容器灵敏度相对于Vtune电压的曲线图。在图3a与图3b中，存在八条曲线，其中每一曲线可表示三位控制中的状态中的一者。在图3a中可看出，电容视控制信号(cv)和Vtune电压而变化。在图3b中可看出，灵敏度视控制信号和Vtune电压而变化。当控制信号为零(cv＝0)时，变容器灵敏度可最小。当控制信号为七(cv＝7)时，变容器灵敏度可最高。

图4为具有来自根据本发明的一实施例的可编程变容器设备的补偿的模拟VCO增益变化的曲线图和不具有补偿的模拟VCO增益变化的曲线图。在具有补偿的情况下，VCO增益变化在VCO频率范围内相对最小。作为非限制性实例，在(例如)使用3个位时，VCO增益变化可为+/-10％。如果使用更多控制位，那么变化可更小。相反地，在不具有补偿的情况下，VCO增益变化在VCO频率范围内相对显著。举例而言，最大与最小VCO增益比率可为2.4∶1，其中频率范围为3.2GHz到4.4GHz。此仅为一实例。如果(例如)频率范围更宽，那么VCO增益变化可更大。

图5a为具有来自根据本发明的一实施例的可编程变容器设备的补偿的所测量VCO增益变化的曲线图和不具有补偿的所测量VCO增益变化的曲线图。如在图4中，在具有补偿的情况下，VCO增益变化在VCO频率范围内相对最小(作为非限制性实例，+/-12％)。相反地，在不具有补偿的情况下，VCO增益变化在VCO频率范围内相对显著。举例而言，最大与最小VCO增益比率可为2.7∶1。

图5b为变容器控制码(例如，图3a及图3b的控制码)相对于频率的曲线图。图5b中的变容器控制码可对应于图5a中所示的VCO增益相对于频率的关系。

粗调谐方案

VCO通常可经由粗调谐频率操作而得以粗调谐。在具有可编程变容器设备的情况下，VCO增益可得到补偿。经补偿K_V可在频率和粗调谐码内相对恒定。然而，粗调谐频率阶跃Δf仍可与f³成比例：

$\mathrm{\Delta f}=f(C+\mathrm{\Delta C})-f\left(C\right)\cong \frac{1}{2}\frac{\mathrm{\Delta C}}{C}\frac{1}{2\pi \sqrt{\mathrm{LC}}},$对于Δf＜＜f

ΔC_i＝ΔC_j，即，所有粗调谐码的相同电容器阶跃

$\Rightarrow \frac{{\mathrm{\Delta f}}_i}{f_i}{C}_i=\frac{{\mathrm{\Delta f}}_j}{f_j}{C}_j,$$\frac{{\mathrm{\Delta f}}_i}{f_i^3}=\frac{{\mathrm{\Delta f}}_j}{f_j^3}$

其中C_i及C_j分别为粗调谐码i和j的粗调谐电容器组电容，□C_i及□C_i分别为在粗调谐码从i变化到i+1和从j变化到j+1时的电容变化，且□f_i及□f_i为对应VCO振荡频率变化。

可大体上恒定的粗调谐频率操作可为所需的。为了维持覆盖经补偿VCO增益的每一频率通道的相同数目的粗调谐曲线，Δf常数及与1/f³成比例的ΔC可为所需要的。此可通过将1～2个额外物理控制位添加到粗调谐电容器组同时仍使用相同数目的逻辑控制位来实现。在具有从逻辑位到物理位的非线性映射的情况下，逻辑ΔC可变得与1/f³大致成比例且Δf相对恒定。因此，可经由逻辑到物理粗调谐码映射来实施均匀间隔的粗调谐阶跃以实现所需的粗调谐覆盖。尽管1～2个位可为足够的，但可添加额外位。位被添加得越多，Δf可变得越接近于常数。

图6a为根据本发明的一实施例的6到7位粗调谐码映射中的物理7位粗调谐码相对于逻辑6位粗调谐码的曲线图。图6b为粗调谐频率阶跃相对于具有和不具有6到7位粗调谐码映射的粗调谐码的曲线图。在具有粗调谐码映射的情况下，粗调谐频率阶跃变化显著地小于不具有粗调谐码映射的情况。作为非限制性实例，具有6到7位粗调谐码映射的粗调谐频率阶跃变化可为+/-30％，而在不具有粗调谐码映射的情况下，最大与最小粗调谐阶跃比率可为4.6∶1。

图7a为根据本发明的一实施例的6到8位粗调谐码映射中的物理8位粗调谐码相对于逻辑6位粗调谐码的曲线图。图7b为粗调谐频率阶跃相对于具有和不具有6到8位粗调谐码映射的粗调谐码的曲线图。在具有6到8位粗调谐码映射的情况下，粗调谐频率阶跃变化甚至小于图6a中所示的具有6到7位粗调谐码映射的情况。作为非限制性实例，具有6到8位粗调谐码映射的粗调谐频率阶跃变化可为+/-17％。

图8a为包括根据本发明的一实施例的可编程变容器设备的电路中VCO增益相对于调谐电压的曲线图。图8b为不使用可编程变容器设备的电路中VCO增益相对于调谐电压的曲线图。如图8a和图8b中所示，在包括可编程变容器设备的电路中比在不使用可编程变容器设备的电路中存在更少的VCO增益变化。

图9为闭合回路合成器相位噪声的曲线图。实线表示得到较低电荷泵电流补偿的高VCO增益。虚线表示较低VCO增益。作为一实例，低K_V状况下的VCO增益可为高K_V状况下的VCO增益的一半。在两种状况下，VCO增益与电荷泵电流的乘积可相同。因此，PLL回路动力学可在两种状况下相同。然而，具有较低VCO增益的情况下的相位噪声结果比具有得到较低电荷泵电流补偿的高VCO增益的情况下的相位噪声结果更好。在一示范性实施例中，在高K_V状况下从1kHz到100kHz的整合相位噪声可为-29.4dB且在低K_V状况下可为-31.3dB。因此，低K_V状况可具有1.9dB的改进。

图10为用于改变根据本发明的一实施例的可编程变容器设备(例如，图1的可编程变容器设备100)的有效电容的方法1000的流程图。方法1000可包括：提供多个二进制加权变容器(例如，图1的变容器104、106、108)的步骤1002；以及停用多个二进制加权变容器中的一者或一者以上以减少可编程变容器设备的有效电容的步骤1004。停用步骤1004可包括基于与VCO频率成比例的计数器值来停用多个二进制加权变容器中的一者或一者以上。方法1000可进一步包括粗调谐映射的步骤。粗调谐映射可为用于C_CT的逻辑到物理粗调谐码映射。如图1及图2中作为集总电容器所示的C_CT可为由粗调谐码(例如，图6及图7中的7或8个位)所控制的多个二进制电容器。

当然，应了解，上文涉及本发明的示范性实施例，且可在不脱离所附权利要求书中所陈述的本发明的精神及范围的情况下进行修改。