專利名稱：可變電感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種電控可變電感器，其在包含壓控振蕩器的模擬和射頻集成電路中 有著廣泛的應用。
背景技術：
電感器和電容器以回路形式的組合(通常稱為諧振電路)是電子電路的重要組成 部分。例如，射頻(RF)放大器的輸入端或輸出端上的振蕩器、濾波器以及阻抗利用諧振電 路的高頻選擇特性產生、增強或消除特定頻率的信號。圖Ia示出了眾所周知的諧振電路1， 其在回路中包括一個電感器11和一個電容器12。環繞回路的總阻抗是零的諧振頻率與電 感L和電容C乘積的平方根成反比。在很多應用中，例如可調濾波器和壓控振蕩器，期望改 變諧振頻率。這可以通過改變電容器12或電感器11實現，分別如圖Ib和圖Ic所示。盡 管改變或控制電容器或電感器的值的各種機械裝置已經存在了一段時間，但是如今，電子 可變電容器或變容二極管最經常地使用在諸如包含壓控振蕩器(VCO)的RF集成電路的小 型化系統中。在基于壓電陶瓷諧振器或石英晶體的機電諧振器中，有時還使用如圖2a所示的 振蕩器中的可變電容器；圖2b示出了晶體的電子等效電路。等效電路包括與第二電容器23 并聯的器件端子之間串聯連接的電感器21和電容器22。盡管諧振器中的等效電容是動態電容Cs 22和容器電容(casecapacitanceKp 23 的串聯結合，但是僅可從晶體的兩個端子25和25’達到容器電容，因此如圖2c所示，僅通 過向其并聯加入可變電容器就可控制其諧振頻率。期望對諧振頻率進行控制，以校正由于 制造公差、溫度相關性以及老化而引起的任何誤差(圖2c中，Cp表示并聯連接的容器電容 和可變電容)。包含這種晶體的電路通常稱作壓控晶體振蕩器(VCXO)，并且通過使用用于 可變電容器的變容二極管來設定它的頻率，以及改變偏壓來改變它的電容。這種諧振器中的動態電容Cs通常小于容器電容Cp幾個數量級，從等式(1)可以看 出，增加Cp對于減小諧振頻率fp具有有限的效果，由于陶瓷或晶體諧振器的外殼引起的Cp 的固定部分通常相當大，向Cp進一步增加可變電容會導致在相對頻率變化方面的收益減小 (右邊的平方根簡直趨于1)。因此，壓控晶體振蕩器(VCXO)的調諧范圍典型地受到限制。
發明內容
根據本發明，提供了如所附權利要求所要求的可變模擬電感器電路和電子可變振 蕩器電路。除了別的以外，本發明用于移動電話或其它任意類型的移動終端站，例如，具有無線移動數據連接的PDA或類似的便攜式電腦；在后一種以例如PC卡設置了無線連接的情 況，可以使用GPRS、EDGE、或UMTS服務發送數據。
現在將參照附圖，僅以實例的方式詳細描述本發明的優選實施例，其中圖Ia是眾所周知的LC諧振器的示意圖。圖Ib是具有可變電容器的LC諧振器的示意圖。圖Ic是具有可變電感器的LC諧振器的示意圖。圖2a是包含機電諧振器的振蕩器的示意圖。圖2b是LC諧振器的示意圖，其也經常用于描述石英晶體的機電諧振的電學等效。圖2c是如圖2b中的LC諧振器的示意圖，其中，并聯電容是可變的。圖3是如圖2c中的LC諧振器的示意圖，其中附加的可變電感器與可變電容器并聯。圖4是根據本發明的模擬可變電感器的第一示例性實施例的框圖。圖5a是電壓緩沖器的第一示例性實施例的示意圖。圖5b是電壓緩沖器的第二示例性實施例的示意圖。圖6是如圖4所示的模擬可變電感器的第一示例性實施例的框圖，其中分壓器模 塊的示例性的電容性實施例以示意圖的形式示出。圖7a是積分器的第一示例性實施例的框圖。圖7b是積分器的第二示例性實施例的框圖。圖7c是積分器的第三示例性實施例的框圖。圖8a是可變跨導器(transconductor)的第一示例性實施例的電路示意圖。圖8b是可變跨導器的第二示例性實施例的電路示意圖。圖8c是可變跨導器的第三示例性實施例的電路示意圖。圖8d示出了圖8a中的電流源143的示例性實施例。圖8e示出了圖8a中的電流源143的又一示例性實施例。圖9是根據本發明的采用了模擬可變電感器的示例性實施例的頻控晶體振蕩器 的示例性實施例的示意圖。圖10是根據本發明的采用了模擬可變電感器和可變電容器的示例性實施例的頻 控晶體振蕩器的示例性實施例的示意圖。圖11是根據本發明的在電壓緩沖器和積分器之間包含濾波器的模擬可變電感器 的第二示例性實施例的框圖。圖12是根據本發明的如圖11所示的包含濾波器的模擬可變電感器的第二示例性 實施例的框圖，其中用電容實現電壓緩沖器。圖13是如圖12所述的模擬可變電感器的框圖，其中以示意圖的形式示出濾波器 的示例性實施例。圖14是根據本發明的采用了可變電容器和具有濾波器的模擬可變電感器的頻控 晶體振蕩器的示意圖。
具體實施例方式
圖3的電路是根據本發明第一方面的圖2c所示的諧振器電路的修改形式。可變 電感器Lp與Cp并聯連接。最終組合的導納是在其處于或接近諧振頻率&時，通過等式(2) 給出的。在等效電容Cp’小于Cp時，只要Cp’是正的，組合的阻抗就是電容性的。因此當在 VCXO中使用時，產生的更小的等效并聯電容延伸了 VCXO的調諧范圍。 在圖3中，電容Cp示出為可變電容，如上關于圖2c的說明，它包括晶體2的容器電 容和并聯連接的外部可變電容器。可以將外部可變電容器刪除或固定，而讓可變電感器24 進行調諧，但是這當然會減小可得的調諧范圍。雖然可變電感器提供了擴展調諧范圍的優點，但可變電感器通常具有限制該電路 應用的移動部分。通過使用電子可控電感器，可以克服這個困難。本發明的第二方面涉及特定的電可控電感，其因此可以用于本發明第一方面的振 蕩器中，例如，如同圖3的晶體電路中的電感器24(因此同樣可用在需要電感器的任何振蕩 器或其它電路中)。圖4是根據本發明第二方面的模擬可變電感器Lv 10的框圖。圖4的電路包括電 壓緩沖器111、積分器112以及可變跨導器113。跨導器113的輸出電壓V1連接到電壓緩 沖器111的輸入端，電壓緩沖器111的輸出V2連接到積分器112的輸入端。積分器112的 輸出電壓V3連接到跨導器113的控制端。作為其邊界，總體的可變電感器Lv 10具有總輸入端口 11、11’，在該端口上，電壓 信號V1和電流信號I1提供了電感器的電壓-電流關系，所以電路10模擬電感器，并且該電 路可以用在電路中來代替普通的電感器。緩沖器111在其輸入端上接收總的端口電壓V1，并在其輸出端上提供V1的縮放的 形式V2，V2 = kVi，其中k是常數。積分器模塊112在其輸入端上接收V2,并提供電壓輸出 V3O V3由等式(3)給出。 跨導器部113在其控制輸入端上接收V3，并提供電流輸出込。113的跨導是gm2。 總的信號電流I1等于跨導器輸出電流、加上緩沖器111的輸入電流。根據緩沖器的實現 方式，其輸入電流可以忽略或計入諧振器的電容性電流的部分(稍后說明后者)。在可忽略 的緩沖器輸入電流的情況下，通過等式⑷給出端口 11的ν-ι關系。因此由跨導gm2、緩沖 器縮放因數k和積分系數Ic1的乘積的倒數給出模擬電感L。Ix=IL=gm2-k-kr \vxdt = J \vxdt(4)通過對電路10的輸入電壓求積分以產生與電流成比例的電壓，該積分器提供了 電感器的電壓和電流之間的基本關系。跨導器將該電壓變為電路10的輸入電流。如跨導 器的符號所表示的，跨導器的增益gm2是可變的(例如，可控制的)，并且從等式4可以看出， 改變增益就改變了模擬電感器的電感。從等式(4)可以看出，系數gm2、k和1^給出通過緩沖器、電感器和跨導器形成的回 路的增益，并確定模擬電感器的電感。因此，可以通過電子方式改變系數g^k*!^中的
6任一個，以改變模擬電感的值；這些系數中的每一個都是完全可以改變的，但是優選地改變
gm2 0緩沖器111是可選的。它提供2個功能將電路10的輸入與積分器的輸入進行分 離，并對輸入進行縮放。使用縮放的一個情況是當電感器用在振蕩器中時。這里，輸入信號 的振幅會很大，接近電源電平。這會存在削減積分器112的輸入的風險，這是通過縮減(即， k < 1)積分器的輸入而避免的。本領域普通技術人員應理解，如果在輸入中存在任何DC電平或有任何非零偏移， 那么積分器的輸出將達到飽和。類似地，如果存在所關心的頻率以下的低頻率的大振幅，則 會存在削減。因此，圖3的電路通常還設置有使積分器不響應那些低頻并使其輸出的DC電 平保持在輸出范圍內的特定電平(通常接近中心)上的電路(未示出)。這種電路對本領 域普通技術人員是已知的。隨后是模塊111、112和113的細節描述。提取可忽略的輸入電流的電壓緩沖器111的可能的實施例包括如圖5a所示的在 反饋結構中工作的運算放大器或如圖5b所示的源極跟隨器。圖5a的電路具有運算放大器101，其正輸入端連接到模擬電感器10的輸入端(端 子11)，其負輸入端經由第一電阻器103連接到運算放大器的輸出端，并經由第二電阻器 102接地(或端子11’)。第一電阻器的阻抗是第二電阻器的阻抗的k-Ι倍，k是緩沖器對 電壓的縮放因數。運算放大器的輸出提供給緩沖器的輸出。在圖5b的電路中，晶體管106的柵極提供緩沖器的輸入，而源極提供輸出。電流 源107連接在晶體管的源極和地之間，以通過晶體管的溝道提供偏置電流。這種緩沖器的缺點是其輸入電壓范圍受限，這在其供給電壓受限制的現代集成電 路的實現中可以是非常重要的。圖6示出了含有不具有該缺點的緩沖器111的實現的圖4 的電路。這里的緩沖器包括串聯連接在模擬電感器10的輸入端子11和11’之間的一對電 容器114和115 (具有電容Cl和C2)，由此形成電容性分壓器，電容性分壓器用于將V1的擺 幅縮減至V2并保持這2個電壓同相。電壓縮放減小了積分器模塊112輸入端上的電壓的 擺幅，這促進了其在現代低壓技術中的實現。在模擬電感器是諧振器的一部分的應用中，示例性的緩沖器的實現可以被吸收到 諧振器的電容性部分中，例如石英晶體的容器電容(參見下面描述的圖9、圖10和圖14的 電路)的情況或形成Colpitts或Clapp振蕩器的負阻抗生成部分的串聯的一對電容器的 情況。這些情況中，緩沖器111的電容性輸入電流I。計入諧振器的剩余部分，使得如等式 ⑷所描述的込和V1之間的電感關系仍舊保持不變。如果電容(^是無窮大的，則圖6的分 割比可以一致，在這種情況下其可以通過短路來實現。圖7a 圖7c示出了積分器模塊112的示例性實施例。在圖7a中，跨導器121將 輸入電壓V2變換為流入其負載電容器C 122的電流。負載電容器上的輸出電壓V3是跨導 器電流的積分，并且V2和V3之間的關系由等式(5)給出。 圖7b和圖7c示出了執行近似積分(approximate integraion)的可能的實施例。 圖7b的電路具有運算放大器125，其負輸入端經由電阻器R 123連接到積分器112的輸入端，并且經由電容器C 124連接到放大器的輸出端。放大器的正輸入端連接到地或基準電 平0。圖7b的電路中的輸入電阻器R與緩沖器111的基于放大器的實施例的結合運轉良 好，但是在如圖6電容性地實現緩沖器111時，會使V2的相位偏移。圖7c示出了積分器的 簡單的R-C網絡實施例，當RC時間常數遠大于所關心的信號的周期時，該實施例近似奏效。如上所述，模擬電感器的電感L的電子控制可以通過改變電感器的增益Ic1而實 現。特別地，這可以通過改變跨導器121的增益gml來在圖7b的電路中實現，或可以通過電 子方式改變電容C來在圖7a、圖7b或圖7c的任一電路中實現。注意，為了便于說明相關的概念，圖7a、圖7b和圖7c中示出了單端形式，但是本領 域普通技術人員可以提供對于V3來說具有雙端輸出的電路，其對于這些實例是優選的。在圖8a 圖8c中示出了可變或受控跨導器模塊113的示例性實施例(以雙端形 式示出)。圖8a示出了具有由可變電流源143偏置的一對差分的晶體管的示例性跨導器。通 過偏置電流控制其跨導gm2，如上所述，其改變模擬電感器的電感。如圖8d所示，如果以晶 體管實現電流源143，則其產生的偏置電流由其柵極電壓148改變。因此，模擬電感器的電 感通過電壓進行控制。如圖8e所示，備選地，可以通過電流源陣列提供偏置電流，該電流源 陣列可按照由數字控制命令設定跨導的有效值的多種結合方式進行結合。因此，這種情況 下，模擬電感器的電感是數字控制的。如果用于設定電感的控制信號已經是電流形式，則不 再需要電流源143，并且控制電流可直接(以適當比例)用于為跨導器提供電流。圖8b示出了具有單端輸出的類似的跨導器，在輸出級使用共源共柵晶體管 (cascode transistor)以保證高輸出阻抗。圖8c示出了具有單端輸出的類似的跨導器，在 輸出級使用折疊的(folded)、調整的共源共柵晶體管，以保證高輸出阻抗。可以使用具有固 定或可變的跨導的類似電路，用于圖7a中的gml的實施例。現在由等式(6)給出113的輸 出電流。 因此，通過等式(7)給出用于圖6的示例性實施例的模擬電感。 其中，通過CjPC2提取的電容性電流I。歸于(attribute to)諧振器的其他部分。圖9示出了基于模擬可變電感器的示例性的電控晶體振蕩器。電容器C1和C2與晶體管MJl及連接到M1的電流宿(currentsink) 72結合，以在 諸如ColpittS、Clapp或Pierce振蕩器的眾所周知的3點振蕩器中形成負阻抗。那些形成 振蕩器的部件在框100的圖中示出。同時，除了模擬電感器10的電壓緩沖器111 (形成模擬電感器10的位于圖9的虛 線框100內的部件)，電容器C1和C2構成晶體諧振器的并聯電容的一部分。晶體管MJl和 電流宿72同樣部分用作晶體諧振器的信號端子與模擬電感器10的積分器112之間的電壓 緩沖器。模擬電感器電路的剩余部分包括積分器模塊112，其輸入連接到M1的源極端子， 并且如圖6中的電路一樣，還連接到之前以電容性分壓器的形式提拱緩沖器111的電容器 C1和C2之間的節點；以及跨導器模塊113，其輸出反饋給由電容器C1和C2形成的緩沖器的輸入(同樣連接到M1的柵極和晶體的信號端子)。改變跨導器113的跨導gm2可改變模擬電感，從而改變振蕩頻率。由于可以通過控 制電流源晶體管的柵極電壓或通過將電流源陣列的子集數字組合為單個偏置電流而改變 跨導器113的偏置電流，所以還可以實現壓控電感或數控電感。因此，圖9中的示例性晶體 振蕩器的實施例實現了流控、壓控或數控的晶體振蕩器。與將可變電容器并聯連接于晶體(其減小了它的諧振頻率)相反，將模擬可變電 感器與晶體并聯連接增加了它的諧振頻率。因此，晶體振蕩器的調諧范圍增大，超出通過將 可變電容與模擬可變電感結合得到的可變電容器可達到的范圍，如圖10中的示例性實施 例所示，圖10中除了電容器C1和C2變為可變之外，其余與圖9相同。由于與晶體的容器電 容并聯的電容！C1和(2已經形成這3點振蕩器中必要的部分，所以除了它們的負阻抗生成 和電壓緩沖的作用外，它們同樣可以用作可變電容器。同樣可以僅使C1或C2中的一個可變，而獲得這種寬范圍的頻控晶體振蕩器。這種頻控諧振器的局限在于，盡管模擬電感可以足夠大到處于或接近期望的諧振 頻率，為了使圖3所示的并聯電感器-電容器的組合保持電容性(這需要防止它與晶體形 成LC回路諧振器)，在較低的頻率上，模擬電感可以足夠小，以使該組合的阻抗呈電感性， 如從等式(2)可以看出。在如圖9或圖10示出的晶體振蕩器的情況下，這能夠使振蕩在低 于期望諧振的寄生頻率上發生。為了避免這種寄生振蕩，可以通過在由緩沖器、積分器和跨 導器形成的回路中的任何地方包含濾波器116而防止模擬電感器取期望范圍外的值，但是 優選地，如圖11中的示例性實施例所示，濾波器插入電壓緩沖器的輸出端和積分器的輸入 端之間。該濾波器可以是帶通，其通帶包括諸如振蕩器的諧振頻率的期望工作頻率，或高 通，其轉折頻率(corner frequency)低于期望的工作頻率，但是高于模擬電感變得太低時 的頻率。圖12示出了具有濾波器的模擬電感器的示例性實施例，其中以電容性分壓器實 現電壓緩沖器。圖13示出了具有濾波器116的模擬電感器的示例性實施例，其中，所述濾 波器通過電容器61和電阻器62實現為一階高通濾波器。圖14示出了寬范圍的可調頻晶體振蕩器的示例性實施例，其中模擬電感器包含 電容性電壓緩沖器，同時底部電容器是可變的(作為變容二極管、或電容器的陣列、或變容 二極管的陣列)，濾波器實現為一階高通濾波器。
權利要求
一種可變模擬電感器電路，包括輸入端；積分器，所述積分器的輸入端被連接以接收所述模擬電感器的輸入端上的電壓，或所述電壓的縮放形式，并對所述電壓或所述電壓的縮放形式進行響應以提供電壓信號，所述電壓信號是所述積分器的輸入端的電壓信號的積分形式；以及跨導器，具有連接至所述模擬電感器的輸入端的受控電流端子和被連接以接收由所述積分器輸出的信號的控制端子，并響應于由所述積分器輸出的信號以控制通過所述受控電流端子的電流，其中，包含所述積分器和所述跨導器的回路的增益響應于電控信號而可變。
2.根據權利要求1所述的可變模擬電感器電路，其中，所述跨導器的增益響應于電控 信號而可變。
3.根據權利要求2所述的可變模擬電感器電路，其中，所述跨導器響應于電壓信號而可變。
4.根據權利要求2所述的可變模擬電感器電路，其中，所述跨導器響應于數字信號而可變。
5.根據權利要求2所述的可變模擬電感器電路，其中，所述跨導器響應于電流信號而可變。
6.根據上述任一項權利要求所述的可變模擬電感器電路，包括緩沖器電路，所述緩沖 器電路被連接以接收所述模擬電感器的輸入端上的電壓，或所述電壓的縮放形式，并將所 述電壓或所述電壓的縮放形式傳輸至所述積分器的輸入端。
7.根據權利要求6所述的可變模擬電感器電路，其中，所述緩沖器的輸出電壓與所述 模擬電感器的輸入電壓之比小于1。
8.根據權利要求7所述的可變模擬電感器電路，其中，所述緩沖器包括分壓器。
9.根據權利要求8所述的可變模擬電感器電路，其中，所述分壓器包括串聯連接的2個 電容器。
10.根據上述任一項權利要求所述的可變模擬電感器電路，包括濾波器，所述濾波器被 連接以過濾圍繞包含所述積分器和所述跨導器的回路傳播的信號，所述濾波器是高通濾波 器或帶通濾波器。
11.根據權利要求6至9中任一項所述的可變模擬電感器電路，包括連接在所述緩沖器 的輸出端和所述積分器的輸入端之間的濾波器。
12.一種振蕩器，包括以上權利要求中任一項所述的可變模擬電感器電路。
13.一種振蕩器，包括根據權利要求9所述的可變模擬電感器電路，其中，所述緩沖器 的電容器形成與壓電諧振器并聯連接的外部調諧電容。
14.一種利用負阻抗的振蕩器，包括根據權利要求9所述的可變模擬電感器電路，其 中，所述緩沖器的電容器形成所述振蕩器的負阻抗生成電路的一部分。
15.根據權利要求14所述的利用負阻抗的振蕩器，其中，所述緩沖器的電容器形成與 壓電諧振器并聯連接的外部調諧電容。
16.一種電子可變振蕩器電路，包括 壓電諧振器， 2電容器，與所述壓電諧振器并聯連接，以及電子可變模擬電感器，與所述壓電諧振器和所述電容器并聯連接。
17.根據權利要求16所述的電子可變振蕩器電路，其中，所述電容器是電子可變的。
18.根據權利要求17所述的電子可變振蕩器電路，其中，所述電容器包括串聯連接的2 個電容器。
19.根據權利要求16至18中任一項所述的電子可變振蕩器電路，其中，所述電子可變 模擬電感器是如權利要求1至12中任一項所要求的。
全文摘要
本發明提供了一種可變模擬電感器，包括被連接以接收跨過電路的輸入端的電壓的積分器。電感器的輸出端連接至跨過電路的輸入端連接的跨導器的控制端子。為了控制電路的電感，跨導器的增益是可電控的。本發明還提供了使用并聯連接的可變模擬電感器和壓電諧振器的振蕩器。
文檔編號H03H11/48GK101904096SQ200880121096
公開日2010年12月1日 申請日期2008年12月12日 優先權日2007年12月14日
發明者黃秋庭 申請人:Acp尖端電路鉆研股份公司