專利名稱：一種寄生效應(yīng)低品質(zhì)因數(shù)高的差分開關(guān)電容結(jié)構(gòu)的制作方法
一種寄生效應(yīng)低品質(zhì)因數(shù)高的差分開關(guān)電容結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明主要涉及離散電容設(shè)計(jì)領(lǐng)域，尤其指一種寄生效應(yīng)低、品質(zhì)因數(shù)高的差分開關(guān)電容結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
近年來，隨著無線通訊技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，多種標(biāo)準(zhǔn)兼容和寬帶通訊系統(tǒng)成為必然趨勢(shì)。作為該系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊，壓控振蕩器要求有足夠?qū)挼念l率覆蓋范圍和苛刻的相位噪聲性能?；跇?biāo)準(zhǔn)CMOS工藝變?nèi)莨軐?shí)現(xiàn)的調(diào)諧LC VCO最大能實(shí)現(xiàn)20%左右的頻率調(diào)諧范圍。同時(shí)，采用大尺寸的變?nèi)莨苋菀装逊仍肼曓D(zhuǎn)化為相位噪聲，使相位噪聲變差。為此，人們提出了采用數(shù)控開關(guān)電容技術(shù)實(shí)現(xiàn)可變電容。但是傳統(tǒng)的開關(guān)電容陣列由NMOS晶體管和電容串聯(lián)構(gòu)成，NMOS管開啟時(shí)導(dǎo)通電阻和斷開時(shí)漏端寄生電容使得調(diào)諧回路Q值低以及相位噪聲性能差。因此，設(shè)計(jì)寄生效應(yīng)低，品質(zhì)因數(shù)高的開關(guān)電容成為了開關(guān)電容設(shè)計(jì)的難題。圖1展示了一種由NMOS開關(guān)管和金屬電容實(shí)現(xiàn)的傳統(tǒng)差分開關(guān)電容結(jié)構(gòu)。當(dāng)開關(guān)控制信號(hào)D為高電平時(shí)，NMOS開關(guān)管NpN2和N3閉合，PMOS開關(guān)管P1和P2斷開，開關(guān)電容處于閉合狀態(tài)，此時(shí)開關(guān)電容結(jié)構(gòu)的等效電路如圖3所示，其中Rh^Rm2和Rm3分別三個(gè)NMOS 開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)的等效電阻，此時(shí)開關(guān)電容容值大小可以表示為其品質(zhì)因數(shù)Q可以表示為Q =_ __(2) 0·( //α)·((^1+^2)//^αν3)式中ω0為工作頻率，Ri0N=[(ynCox) (VL) (Vgs-Vth)T1為開關(guān)管Ni的導(dǎo)通電阻。從式 ⑵中可以得出，由于導(dǎo)通時(shí)開關(guān)管的導(dǎo)通電阻Riw的存在，開關(guān)電容的有效Q值降低，從而降低LC振蕩器的相位噪聲性能。當(dāng)開關(guān)控制信號(hào)D為低電平時(shí)，NMOS開關(guān)管Ni關(guān)閉，PMOS開關(guān)管Pi閉合，開關(guān)電容處于斷開狀態(tài)，此時(shí)開關(guān)電容等效電路如圖4所示，此時(shí)開關(guān)電容容值大小可以表示為C0FF^ (C1// (CNlpar+Cparl)) // (C2// (CN2par+Cpar2)) (3)其中為金屬電容C的下極板與地形成的寄生電容，Cniot為NMOS開關(guān)管漏極產(chǎn)生邊緣電容，其值等于WswCdd,其中Wsw是開關(guān)管的寬度，Cdd為漏端邊緣單位寬度電容值，單位為 fF/μπι。由于開關(guān)斷開時(shí)，金屬電容并沒有被完全隔離在諧振器之外，而是與寄生電容串聯(lián)后接入諧振器中，這一效應(yīng)大大降低了電容的調(diào)諧范圍。針對(duì)傳統(tǒng)單端開關(guān)電容結(jié)構(gòu)存在的缺陷，設(shè)計(jì)人員提出了圖2所示的一種寄生效應(yīng)低、品質(zhì)因數(shù)高的差分開關(guān)電容結(jié)構(gòu)。開關(guān)控制信號(hào)D同時(shí)接到NMOS開關(guān)管N1、N2的柵極和反相器INV(001、002)的輸入端，NMOS開關(guān)管NI的漏極接電容C1的一端，電容C1的另一端為輸出端P，反相器INV(OOl)的輸出與電阻R1的一端相接，電阻R1的另一端連接NMOS 開關(guān)管NI的漏端，NMOS開關(guān)管N2的漏極接電容C2的一端，電容C2的另一端為輸出端N，反相器INV(002)的輸出與電阻R2的一端相接，電阻R2的另一端連接匪OS開關(guān)管N2的漏端，NMOS開關(guān)管N3的漏極連接到NMOS開關(guān)管NI的漏極，其源極連接到NMOS開關(guān)管N2的漏極，NMOS開關(guān)管N3的柵極接數(shù)字控制信號(hào)D。圖5給出了本發(fā)明的差分開關(guān)電容結(jié)構(gòu)的開關(guān)閉合時(shí)的等效電路結(jié)構(gòu)。由于當(dāng)數(shù)字控制信號(hào)D為高電平時(shí)，NMOS開關(guān)管Ni開啟，PMOS開關(guān)管Pi斷開，此時(shí)開關(guān)電容的有效容值和圖1中的一樣，而其有效品質(zhì)因數(shù)可以表示為Q =-T----r-Γ(4) O-(C1HC2)-(((Rom + Roni)// Rom )//(^+i 2))由于數(shù)字信號(hào)D通過反相器和電阻將Ep和En節(jié)點(diǎn)下拉到地，減小了 NMOS管％、N2的導(dǎo)通電阻，此時(shí)Ep和En兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的直流電位相同，使得二者虛短，減小了 N3管導(dǎo)通的等效電阻。因此，開啟狀態(tài)下本發(fā)明差分開關(guān)電容的等效阻抗非常小，增大了開關(guān)電容的有效品質(zhì)因數(shù)。當(dāng)開關(guān)控制信號(hào)D為低電平時(shí)，NMOS開關(guān)管Ni關(guān)閉，開關(guān)電容處于斷開狀態(tài)，此時(shí)開關(guān)電容等效電路如圖6所示，由于此時(shí)Ep和En節(jié)點(diǎn)被反相器和電阻上來到VDD，使得此時(shí)晶體管N1、N2的漏極-襯底PN結(jié)呈現(xiàn)較大反偏，使得PN結(jié)的耗盡區(qū)增大，大大減小了漏極的寄生電容對(duì)開關(guān)電容的影響，同時(shí)開關(guān)電容下極板對(duì)地的寄生電容也非常小，可以忽略。 開關(guān)管N3也因?yàn)槁┰磧啥穗妷壕鶠閂DD，管子不開啟，導(dǎo)致其等效阻值無窮大。因此，關(guān)閉狀態(tài)下改進(jìn)型開關(guān)電容結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)出低通的濾波特性，能夠與諧振腔完全隔離，不影響LC 振蕩器的振蕩頻率。綜上所述，本發(fā)明差分開關(guān)電容結(jié)構(gòu)，降低了關(guān)閉時(shí)的寄生電容，減小了開啟時(shí)的寄生電阻，提高了開關(guān)電調(diào)諧范圍，增大了開關(guān)電容陣列的品質(zhì)因數(shù)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種寄生效應(yīng)低、品質(zhì)因數(shù)高的差分開關(guān)電容結(jié)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的解決方案為第一 NMOS管(NI)、第二 NMOS管 (N2)、第三NMOS管(N3)、第一反相器INV (001)、第二反相器INV (002)、第一電阻(R1)、第二電阻(民)、第一金屬電容(C1)、第二金屬電容(C2),其中第一 NMOS管(NI)的柵極接數(shù)字控制信號(hào)D，漏極接第一金屬電容(C1)的一端，源極接電源地，第一反相器INV(OOl)的輸入接數(shù)字控制信號(hào)D，輸出接第一電阻(R1)的一端，第一電阻(R1)的另一端接第一 NMOS管(NI) 的漏極，第一金屬電容(C1)的另一端接輸出P，第二 NMOS管(N2)的柵極接數(shù)字控制信號(hào)D， 漏極接第二金屬電容(C2)的一端，源極接電源地，第二反相器INV(002)的輸入接數(shù)字控制信號(hào)D，輸出接第二電阻(R2)的一端，第二電阻(R2)的另一端接第二 NMOS管(N2)的漏極， 第二金屬電容(C2)的另一端接輸出N，第三NMOS管(N3)的漏極接第一 NMOS管(NI)的漏極，源極接第二 NMOS管(N2)的漏極，柵極接數(shù)字控制信號(hào)D。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1、降低了差分開關(guān)電容結(jié)構(gòu)的寄生效應(yīng)。與傳統(tǒng) 差分開關(guān)電容相比，本發(fā)明的開關(guān)電容結(jié)構(gòu)中開關(guān)管具有良好的開關(guān)特性。2、增大了差分開關(guān)電容結(jié)構(gòu)的品質(zhì)因數(shù)。與傳統(tǒng)差分開關(guān)電容結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明的差分開關(guān)電容結(jié)構(gòu)寄生電阻小，增大了有效品質(zhì)因數(shù)。3、提高了差分開關(guān)電容的調(diào)諧范圍。與傳統(tǒng)差分開關(guān)電容結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明的開關(guān)電 容陣列寄生效應(yīng)小，增大最大有效容值和最小有效容值的差值，從而提高了差分開關(guān)電容 的調(diào)諧范圍。


圖1是傳統(tǒng)差分開關(guān)電容結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明差分開關(guān)電容結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是傳統(tǒng)差分開關(guān)電容關(guān)閉時(shí)等效電路示意圖；圖4是傳統(tǒng)差分開關(guān)電容開啟時(shí)等效電路示意圖；圖5是本發(fā)明差分開關(guān)電容關(guān)閉時(shí)等效電路示意圖；圖6是本發(fā)明差分開關(guān)電容開啟時(shí)等效電路示意圖；具體實(shí)施方式
以下將結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖2所示，本發(fā)明是一種寄生效應(yīng)低、品質(zhì)因數(shù)高的開關(guān)電容陣列結(jié)構(gòu)，它包括第 一 NMOS管(NI)、第二 NMOS管(N2)、第三NMOS管(N3)、第一反相器INV(OOl)、第二反相器 INV(002)、第一電阻(R1)、第二電阻(R2)、第一金屬電容(C)、第二金屬電容(C2)，其中第一 NMOS管(NI)的柵極接數(shù)字控制信號(hào)D，漏極接第一金屬電容(C1)的一端，源極接電源地，第 一反相器INV(OOl)的輸入接數(shù)字控制信號(hào)D,輸出接第一電阻(R1)的一端,第一電阻(R1) 的另一端接第一 NMOS管(NI)的漏極，第一金屬電容(C1)的另一端接輸出P，第二 NMOS管 (N2)的柵極接數(shù)字控制信號(hào)D，漏極接第二金屬電容(C2)的一端，源極接電源地，第二反相 器INV(002)的輸入接數(shù)字控制信號(hào)D，輸出接第二電阻(R2)的一端，第二電阻(R2)的另一 端接第二 NMOS管(N2)的漏極，第二金屬電容(C2)的另一端接輸出N，第三NMOS管(N3)的 漏極接第一 NMOS管(NI)的漏極，源極接第二 NMOS管(N2)的漏極，柵極接數(shù)字控制信號(hào)D。工作原理當(dāng)開關(guān)控制信號(hào)D為高電平時(shí)，開關(guān)管N1、N2、N3均開啟，節(jié)點(diǎn)EP和EN電 位被下拉到地，使得電容Cl和C2接入諧振器，其導(dǎo)通電阻為RON非常小，降低了等效寄生 電阻，增加了開關(guān)電容的品質(zhì)因數(shù)。當(dāng)開關(guān)控制信號(hào)D為低電平時(shí)，開關(guān)管N1、N2、N3均斷 開，此時(shí)節(jié)點(diǎn)EP和EN電位被上拉到接近VDD，使得開關(guān)管N1、N2的漏極與襯底PN結(jié)呈現(xiàn) 較大反偏狀態(tài)，漏極邊緣寄生電容CNipar非常小，同時(shí)開關(guān)管N3的漏源電壓都接近VDD，使 得二者虛斷，降低了開關(guān)電容關(guān)閉時(shí)的接入諧振器的有效容值，增大了其調(diào)諧范圍。
權(quán)利要求
1.一種寄生效應(yīng)低、品質(zhì)因數(shù)聞的差分開關(guān)電容結(jié)構(gòu)，其特征在于它包括左右兩條開關(guān)電容支路，輸入信號(hào)為數(shù)字控制信號(hào)D，輸出信號(hào)為P和N。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的差分開關(guān)電容結(jié)構(gòu)，左右兩條開關(guān)電容支路的電容Cl和C2容值相同，反相器INV (OOl)和反相器INV (002)尺寸相同，開關(guān)管NI和N2尺寸相同，電阻R1和R2阻值相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的差分開關(guān)電容結(jié)構(gòu)，其特征在于第一NMOS管(NI)、第二NMOS管(N2)、第三NMOS管(N3)、第一反相器(001)、第二反相器(002)、第一電阻(R1)、第二電阻(R2)、第一金屬電容(C1X第二金屬電容(C2),其中第一 NMOS管(NI)的柵極接數(shù)字控制信號(hào)D，漏極接第一金屬電容(C1)的一端，源極接地，第一反相器INV (001)的輸入接數(shù)字控制信號(hào)D,輸出接第一電阻(R1)的一端,第一電阻(R1)的另一端接第一 NMOS管(NI)的漏極，第一金屬電容(C1)的另一端接輸出P，第二 NMOS管(N2)的柵極接數(shù)字控制信號(hào)D，漏極接第二金屬電容(C2)的一端，源極接地，第二反相器INV (002)的輸入接數(shù)字控制信號(hào)D，輸出接第二電阻(R2)的一端，第二電阻(R2)的另一端接第二 NMOS管(N2 )的漏極，第二金屬電容(C2)的另一端接輸出N，第三NMOS管(N3)的漏極接第一 NMOS管(NI)的漏極，源極接第二 NMOS管(N2)的漏極，柵極接數(shù)字控制信號(hào)D。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的差分開關(guān)電容結(jié)構(gòu)，電阻R1和R2阻值要求在ΜΩ級(jí)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種寄生效應(yīng)低、品質(zhì)因數(shù)高的差分開關(guān)電容結(jié)構(gòu)。相對(duì)于傳統(tǒng)差分開關(guān)電容結(jié)構(gòu)，本差分開關(guān)電容結(jié)構(gòu)主要進(jìn)行了以下兩點(diǎn)改進(jìn)第一，去掉了PMOS管P1和P2，消除了二者引入的寄生效應(yīng)；第二，在數(shù)字信號(hào)D的輸入端和開關(guān)射頻管的漏極之間串一個(gè)反相器和電阻，降低開關(guān)管的寄生效應(yīng)。改進(jìn)后的差分開關(guān)電容結(jié)構(gòu)具有寄生效應(yīng)低、品質(zhì)因數(shù)高以及調(diào)諧范圍寬的特性。
文檔編號(hào)H03K17/56GK103001618SQ20121043308
公開日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2012年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月2日
發(fā)明者郭斌 申請(qǐng)人:長沙景嘉微電子股份有限公司