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第四章 可变电容特性分析 第四章 可变电容特性分析 本章首先分析了可变电容的小信号和大信号的差别，得出了像电感电容谐振电路这样的 大信号电路必须采用可变电容的大信号分析方法的结论。接着对电感电容谐振回路中的非线 性可变电容进行大信号分析，推导了采用非线性可变电容的电感电容谐振电路的有效电容的 计算公式。但是对于采用阶跃可变电容(反型 MOS 管电容和累积型 MOS 管电容) 的电感电容 压控振荡器电路，该方法在复杂度和精度上都存在很大问题。因而本章又从时间域角度，对 电感电容谐振电路的周期计算方法在理论上进行了系统推导，阐述了阶跃可变电容能够进行 频率控制的本质，得到了一种计算频率－电压曲线的有效方法。仿真和测试验证结果表明该 公式计算的 F-V 曲线与仿真和测试结果非常吻合。 4.1 引言 近几年无线通信系统的蓬勃发展推动了低成本、低功耗 CMOS 无线收发机的研究与开 发。同时 CMOS 工艺技术的不断进步，使得无线收发机系统中大部分单元电路，如低噪声 放大器(LNA)、混频器（Mixer ）、本机振荡器(Local Oscillator) 以及中频滤波器(IF Filter)等都 能够单片实现。无源器件(片上电感和可变电容) 的片上实现问题的解决，使得本机振荡器的 单片集成成为可能。 互补、交叉耦合负跨导结构的电感电容压控振荡器如图 4.1 所示，它是由交叉耦合的 PMOS 管和 NMOS 管产生一个负跨导，抵消片上电感和可变电容中的串联电阻，从而使得 电感电容谐振电路能够持续振荡起来。目前有许多发表的文章[1-4][9][10]中的振荡器电路采 用了互补、交叉耦合负跨导结构，它们的频率－电压压控曲线都是采用 SPICE 仿真或者是 测试得到的，很少是通过理论方法计算得到的。在文献[3]中，S. Levantino 等人提出了一种 频率－电压压控曲线分析方法，并且采用数值计算的方法得到了压控曲线。我们知道数值计 算是一个复杂而且费时的方法，特别是在改变偏置电流的情况下，整个数值计算方法需要重 新进行演算。M.Tiebout[2]和 R. L.Bunch[4]等人也分析了可变电容的大信号现象，但他们的 Mp1 Mp2 2L Vc C C Mn1 Mn2 Mn3 图4.1 互补、交叉耦合型 CMOS 电感电容谐振压控振荡器 电感电容压控振荡器 39 第四章 可变电容特性分析 分析只是定性的解释了大信号对于有效电容和压控曲线的影响。在文献[5]中，E. Hegazi 等 人通过可变电容小信号模型和非线性分析，得到了一个精简的有效电容的计算公式，从而计 算出压控曲线。然而该方法是基于电容的小信号模型，并且忽略了二次和二次以上高次谐波 分量得到的。我们知道采用阶跃特性可变电容的电感电容谐振电路的谐振波形不可能是一个 理想的正弦波[3]，因此该有效电容的计算公式并不能够真正描述电感电容谐振电路中的实 际有效电容特性。 片上可变电容的实现和建模是目前的一个研究热点。这些研究主要是围绕着如何实现大 的电容可调范围以及高品质因数方面展开的，很少涉及到可变电容的小信号和大信号模型， 非线性特性以及 C-V 曲线对于电感电容谐振电路的压控曲线的影响。本章第二节简单地介 绍了在 CMOS 工艺上实现可变电容的四种结构；在第三节澄清可变电容的大信号模型和小 信号模型的差别；在第四节对采用非线性可变电容的电感电容谐振电路进行了一些理论分 析，给出电感电容谐振电路中有效电容的计算方法；在第五节中，从时间域角度对电感电容 谐振电路的周期在理论上进行了系统推导，阐述了阶跃可变电容能够进