CN102916686A - 一种寄生效应低品质因子高的改进型开关电容结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种寄生效应低、品质因子高的改进型开关电容结构。相对于由一个NMOS管和一个电容实现的传统开关电容结构，本开关电容结构主要进行了如下改进：将NMOS管的栅极电压通过一个反相器和一个电阻连接到NMOS管的漏极，降低了开关管开启时的等效寄生电阻，减小了开关管关闭时的等效寄生电容，优化了NMOS开关管的开关特性。改进后的开关电容结构具有寄生效应低，品质因子高以及有效容差大的特性。

Description

一种寄生效应低品质因子高的改进型开关电容结构

技术领域

本发明主要涉及离散电容结构，尤其指一种寄生效应低、品质因子高的改进型开关电容结构。

背景技术

在CMOS工艺中，开关电容结构广泛应用于LC振荡器的设计领域。作为LC振荡器谐振器的电容部分，开关电容对LC振荡器的相位噪声、调谐范围以及功耗等关键性能指标具有极其重要的影响作用。因此，电容可调范围大，寄生效应小以及品质因子高的开关电容结构是LC振荡器设计中的难点之一。在集成电路中，对采用CMOS工艺实现的可变电容结构主要有三种：PN结电容，MOS管电容和等效开关电容。PN结电容作为可变电容时其缺点在于谐振电压大时，PN结可能进入正偏状态，增大了漏电流，导致品质因数下降，使得相位噪声变差。MOS管电容是目前常用的可变电容，但是其实现电容可调范围小，受工艺库的制约。由于等效开关电容采用金属电容和开关MOS管实现，不受工艺库的制约，可以实现任意大小单位电容，而且电容可调范围大，实现LC振荡器频率增益曲线线性度好，K_VCO取值小，达到较好的相位噪声性能。因此，等效开关电容在系统芯片中有着较好的应用前景。

图1给出了一种由NMOS开关管和金属电容实现的传统开关电容结构，其中NMOS管N1为射频开关管，栅极为开关控制信号D的输入端，漏极连接金属电容C的一端，电容的另一端为输出端OUT。当开关控制信号D为低电平时，开关管N1不开启，开关电容处于关闭状态，此时开关电容结构的等效电路如图3所示，其寄生电容可以表示为：

$C_{\mathrm{OFF}}=C//(C_{N1\mathrm{par}}+C_{\mathrm{par}})=\frac{C\·(C_{N1\mathrm{par}}+C_{\mathrm{par}})}{C+(C_{N1\mathrm{par}}+C_{\mathrm{par}})}---\left(1\right)$

其中C_par为金属电容C的下极板与地形成的寄生电容，C_N1par为NMOS开关管漏极产生边缘电容，其值等于W_swC_dd，其中W_sw是开关管的宽度，C_dd为漏端边缘单位宽度电容值，单位为fF/μm。由于开关断开时，金属电容并没有被完全隔离在谐振器之外，而是与寄生电容串联后接入谐振器中，这一寄生效应大大降低了振荡波形的频率，影响振荡器调谐范围。

当开关控制信号D为高电平时，开关管N1开启，开关电容处于工作状态，此时开关电容等效电路如图4所示，其中R_ON为开关管导通时的等效电阻。此时开关电容容值大小可以表示为：

C_ON≈C                                                               (2)

其品质因数Q可以表示为：

$Q=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0{\mathrm{CR}}_{\mathrm{ON}}}\∝\frac{W_{\mathrm{SW}}}{{\mathrm{\ω}}_{0}C}---\left(3\right)$

式中ω₀为工作频率，R_ON=[(μ_nC_ox)(W/L)(V_GS-V_TH)]^-1开关管N1的导通电阻。从式(3)中可以得出，由于导通时开关管的导通电阻R_ON的存在，开关电容的有效Q值降低，从而降低LC振荡器的相位噪声性能。

针对传统单端开关电容结构存在的缺陷，设计人员提出了一种寄生效应低品质因子高的改进型开关电容结构(图2所示)。开关控制信号D同时接到NMOS开关管的栅极和反相器INV的输入端，NMOS开关管的漏极接电容C的一端，电容C的另一端为输出端OUT，反相器INV的输出与电阻R₀的一端相接，电阻R₀的另一端连接NMOS开关管N1的漏端。

图5给出了改进型开关电容结构关闭时的等效电路结构。由于晶体管N1断开，晶体管的漏极通过大电阻R₀被偏置到电源V_DD，此时晶体管漏极一衬底PN结呈现较大反偏，使得PN结的耗尽区增大，大大减小了漏极的寄生电容对开关电容的影响，同时开关电容下极板对地的寄生电容C_par也非常小，可以忽略。因此，关闭状态下改进型开关电容结构的表现出低通的滤波特性，其传输函数可以表示：

$H\left(s\right)=R_0+\frac{1}{C\·s}---\left(4\right)$

图6给出了改进型开关电容开启时的等效电路结构。此时由开关管N1引入的寄生电阻R_ON和电阻R₀并联，降低了等效寄生电阻，增大了开关电容的有效品质因数，即：

$Q=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{0}C(R_{\mathrm{ON}}//R_0)}---\left(5\right)$

综上所述，改进型的开关电容结构，降低了关闭时的寄生电容，减小了开启时的寄生电阻，提高了开关电容的调谐范围，增加了开关电容的品质因子。

发明内容

本发明要解决的问题在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种寄生效应低品质因子高的开关电容结构。

为实现上述技术问题，本发明提出的解决方案为：一种寄生效应低品质因子高的改进型开关电容结构，其特征在于：它包括一个NMOS开关管(N1)、一个反相器(INV)、一个电阻(R₀)、一个电容(C)，所述NMOS开关管(N1)栅极为开关控制信号D的输入端，漏极与电容(C)的一端连接，源极和衬底都接地(GND)，所述反相器(INV)的输入为开关控制信号D的输入端，输出接电阻(R₀)的一端，电阻(R₀)的另一端接NMOS开关管的漏极，电容的另一端为开关电容的输出端OUT。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、降低了开关电容的寄生效应。与传统开关电容结构相比，本发明的开关电容结构开启时引入的寄生电阻降低，关闭时产生的寄生电容减小，具有良好的开关特性。

2、增大了开关电容的品质因子。与传统开关电容结构相比，本发明的开关电容结构开启时寄生电阻小，实现了电容品质因子高的特性。

3、提高了开关电容的调谐能力。与传统开关电容结构相比，本发明的开关电容结构寄生效应小，开关管开启和关闭时有效容值差增加，从而提高了开关电容的调谐能力。

附图说明

图1是传统开关电容结构示意图；

图2是本发明开关电容结构示意图；

图3是传统开关电容关闭时等效电路示意图；

图4是传统开关电容开启时等效电路示意图；

图5是本发明开关电容关闭时等效电路示意图；

图6是本发明开关电容开启时等效电路示意图；

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图2所示，本发明是一种寄生效应低品质因子高的改进型开关电容结构，它包括一个NMOS开关管(N1)、一个反相器(INV)、一个电阻(R₀)、一个电容(C)。其中，NMOS开关管N1栅极为开关控制信号D的输入端，漏极与电容C的一端连接，源极和衬底都接地GND，所述反相器INV的输入为开关控制信号D的输入端，输出接电阻R₀的一端，电阻R₀的另一端接NMOS开关管N1的漏极，使得开关管N1关闭时其漏极与衬底形成PN结呈现较大反偏，减小漏极寄生电容，增大开关电容的有效容差；同时开关管N1导通时降低寄生电阻，增加开关电容的品质因子。电容C的另一端为开关电容的输出端OUT。

工作原理：当开关控制信号D为高电平时，开关管N1开启，其导通电阻为R_ON和电阻R₀并联，降低了等效寄生电阻，增加了开关电容的品质因子。当开关控制信号D为低电平时，开关管N1关闭，此时节点E电压接近V_DD，使得开关管N1的漏极与衬底PN结呈现较大反偏，漏极寄生电容C_N1par非常小，从而降低了开关电容结构关闭时的寄生电容，增大了其调谐范围。

Claims (2)

1.一种寄生效应低、品质因子高的改进型开关电容结构，其特征在于：它包括一个NMOS开关管（N1）、一个反相器（INV）、一个电阻（R₀）、一个电容（C），所述NMOS开关管（N1）栅极为开关控制信号D的输入端，漏极与电容（C）的一端连接，源极和衬底都接电源地（GND），所述反相器（INV）的输入为开关控制信号D的输入端，输出接电阻（R₀）的一端，电阻（R₀）的另一端接NMOS开关管的漏极，电容的另一端为开关电容的输出端OUT。

2.根据权利要求1所述的寄生效应低品质因子高的开关电容结构，其特征在于电阻R₀取值要在MΩ级。

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