具有基于mems技術(shù)的變抗器的鎖相回路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種具有基于MEMS技術(shù)的變抗器的鎖相回路。
【背景技術(shù)】
[000引鎖相回路（phase-lockedloop,縮寫為化L)是一種電路布置，該鎖相回路借助閉 合控制回路W該樣的方式來影響可控振蕩器的相位和頻率，即，使得該鎖相回路的輸入信 號和在振蕩器輸出處所獲?。╬ickup)的輸出信號之間的相位偏差在很大程度上是恒定 的。從而通過鎖相回路產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率和相位的信號。
[0003] 鎖相回路例如用在通信技術(shù)、控制技術(shù)和測量技術(shù)中W在數(shù)字通信系統(tǒng)中實現(xiàn)用 于時鐘恢復(fù)和用于同步的頻率合成器。
[0004] 鎖相回路的最簡單的形式包括相位檢測器和控制振蕩器，該相位檢測器和該控制 振蕩器組合在控制回路中且W該方式彼此互相影響。
[0005] 從而在鎖相回路的穩(wěn)定狀況下，獲得了振蕩器頻率和相位相對于輸入信號Sigh的追蹤。在該輸入信號Sigh變化或由控制振蕩器的調(diào)節(jié)引起的Sigwt的變化的情況下，根 據(jù)相位檢測器處的負(fù)反饋，鎖相回路盡力將誤差信號保持得盡可能小且接近于數(shù)值零。
[0006] 用于鎖相回路的控制振蕩器通常構(gòu)造有可調(diào)諧電容器。在高頻技術(shù)中，變抗器被 用作可調(diào)諧電容器W便改變控制振蕩器的頻率。為此，可變直流電壓應(yīng)用至該變抗器，其中 該變抗器的工作類似于電容取決于直流電壓的電容器。
[0007] 在用于單片集成控制振蕩器的半導(dǎo)體工藝中，高質(zhì)量的變抗器通常難W獲得。針 對該電路，尤其是晶體管的PN結(jié)或場效應(yīng)晶體管的溝道電容被用作調(diào)諧元件。該些單片集 成的半導(dǎo)體變抗器具有一系列缺點。
[000引首先，該些單片集成的半導(dǎo)體變抗器特別地W完全非線性的方式工作，因此，在調(diào) 諧范圍上的變抗器的較寬的模擬調(diào)諧是不可行的。而且，特別地，根據(jù)場效應(yīng)晶體管實現(xiàn)的 半導(dǎo)體變抗器提供了相對較高的1/f噪聲，從而該些單片集成的半導(dǎo)體變抗器將明顯的噪 聲分量加入到VCO(voltage-controlledoscillator,壓控振蕩器）輸出信號，且該輸出信 號的質(zhì)量可能明顯地受損。
[0009] 而且，該些單片集成的半導(dǎo)體變抗器通常僅提供較小的調(diào)諧范圍，從而使得由直 流電壓變化引起的電容變化對于給定應(yīng)用來說太小。因此，具有單片集成的半導(dǎo)體變抗器 的控制振蕩器通常提供非常窄的帶寬，從而使得控制振蕩器的調(diào)諧范圍達到振蕩頻率的僅 百分之幾。如測量技術(shù)所需要的，具有非常好的相位噪聲的寬帶振蕩器不能通過該些單片 集成的半導(dǎo)體變抗器實現(xiàn)。
[0010] 而且，已知具有離散結(jié)構(gòu)的變抗器，即被稱作分立元件。為此，基于娃、神化嫁、或 磯化銅的半導(dǎo)體二極管迄今為止已經(jīng)被使用。該變抗器也分別被稱作變?nèi)荻O管或電容二 極管。考慮到它們的尺寸和它們增加的制造成本，該些變抗器不適于在越來越小型化的環(huán) 境中應(yīng)用。而且，具有該樣的風(fēng)險，分立變抗器可能被制造者取出，該導(dǎo)致對電路的重新設(shè) 計。因此，通過分立的變抗器不可能實現(xiàn)電路的成本令人滿意的和恒定的制造過程。
[0011] 而且，使用微系統(tǒng)的變抗器（Micro-Electro-Mechanical-Systems，微機電系統(tǒng)， 縮寫為MEMS變抗器）是已知的。特別地，該些MEMS變抗器提供零1處噪聲。因為它們的 較低的電阻損失，例如，由于在半導(dǎo)體變抗器的情況下沒有體電阻存在，因此，MEMS變抗器 實現(xiàn)了非常良好的質(zhì)量。MEMS變抗器的缺點是它們對空氣傳輸?shù)拇髿夥肿拥恼駝雍筒祭试?聲炬rowniannoise)有較高靈敏性，因此，特別地，該MEMS變抗器的顫噪效應(yīng)特性反對將 其用作可控振蕩器。
[001引從W0 2011/097093A2中獲知基于MEMS技術(shù)的高精度的變抗器。該MEMS變抗器 特別地可W用在壓控振蕩器中。因此，該些壓控振蕩器還可W用在鎖相回路中。
[0013] 為了獲得高精度的MEMS變抗器，在W0 2011/097093A2中包含了一種具有梳狀結(jié) 構(gòu)的變抗器，該變抗器借助多個直流電壓而不同地偏壓W便產(chǎn)生相應(yīng)精度的電容。該種變 抗器的制造成本非常高，且該變抗器僅在非常窄頻帶應(yīng)用中可W實現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本發(fā)明的一個目的是提供一種克服【背景技術(shù)】中所述缺點的鎖相回路。特別地，基 于MEMS變抗器的鎖相回路的噪聲行為和顫噪效應(yīng)行為應(yīng)當(dāng)提高，使得它們W高精度操作， 特別是用在高頻測量技術(shù)中。而且，鎖相回路必須能夠在非常寬的帶寬上調(diào)諧且應(yīng)當(dāng)能夠 完全集成。
[0015] 該目的是通過根據(jù)權(quán)利要求1的鎖相回路實現(xiàn)的。在從屬于權(quán)利要求1的各項權(quán) 利要求中描述所述鎖相回路的有利的實施方式。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面的所述鎖相回路包括相位檢測器和控制振蕩器，其中，所 述控制振蕩器設(shè)置有變抗器，所述變抗器利用MEMS技術(shù)來實現(xiàn)。所述鎖相回路的控制帶寬 大于變抗器的機械共振頻率。
[0017] 所述控制帶寬還被指定為所述鎖相回路的調(diào)制范圍，且為該樣的帶寬，其中所述 鎖相回路仍然可W控制輸入信號的頻率與所需的載波頻率的偏差。換句話說，所述控制帶 寬是該樣的帶寬，在該帶寬中，所述鎖相回路提供控制行為，其中所述控制振蕩器的續(xù)流操 作存在于所述控制帶寬的外側(cè)，其中對化L(地ase-lockedloop,鎖相回路）的輸入頻率的 設(shè)定和對化L的W前實現(xiàn)的、設(shè)定好的輸入頻率的調(diào)制都是不可能的。
[001引所述變抗器利用MEMS技術(shù)實現(xiàn)為微機械元件?；谖⑾到y(tǒng)技術(shù)而構(gòu)造的變抗器 (在英文中也被稱作微機電系統(tǒng)，縮寫為MEM巧為小型化的機電系統(tǒng)，其中它們的部件具有 微米范圍的尺寸，且各個部件作為一個系統(tǒng)操作。通過利用MEMS變抗器，可W獲得單片集 成的控制振蕩器，所述單片集成的控制振蕩器提供良好的噪聲特性且利用了完全集成的優(yōu) 點。弓I入到具有與MEMS變抗器匹配的控制帶寬的鎖相回路中，可W獲得高精度的信號源， 該信號源對顫噪效應(yīng)和布朗噪聲是靈敏的，也就是說，其提供了良好的顫噪效應(yīng)特性。
[0019] 而且，相較于半導(dǎo)體變抗器，基于MEMS變抗器提供了零1處噪聲且實現(xiàn)了高質(zhì)量， 從而獲得了非常好的信號特性。MEMS變抗器能夠單片集成，因此允許較低的制造成本。
[0020] 在下文中，基于微系統(tǒng)技術(shù)的變抗器被定名為MEMS變抗器。所述MEMS變抗器優(yōu) 選地設(shè)置有金屬膜，所述金屬膜W可移動的方式安裝在致動器面之上。如果直流電壓應(yīng)用 在所述致動器面和所述金屬膜之間，則所述致動器的靜電力引起所述金屬膜的移位。
[0021] 在改變直流電壓的電勢的情況下，所述致動器面和所述金屬膜之間的距離改變。 所述致動器面和所述金屬膜表示板電容器，其中可w獲取電容值。由于所述膜和致動器電 極之間的可變距離，因此，所述電容值是可改變的。
[0022] 由于利用MEMS技術(shù)的變抗器的實施方式，因此獲得了機械振蕩系統(tǒng)，所述機械振 蕩系統(tǒng)表示二階系統(tǒng)且提供有機械共振頻率，該一方面由于所述膜的彈性系數(shù)，另一方面 由于作用在所述膜上的加速力和阻巧力。
[0023] 如果所述MEMS變抗器在振蕩器中作為可調(diào)諧元件操作，那么振蕩器操作類似機 械共振器。由于產(chǎn)生的共振器的機械低通特征，從而在低于所述機械共振頻率時，在VCO中 的所述MEMS變抗器對續(xù)流振蕩器的相位噪聲的影響W20分貝/十倍頻下降。在高于所述 MEMS變抗器的機械共振頻率時，所述相位噪聲至少W20分貝/十倍頻下降，優(yōu)選地W60分 貝/十倍頻下降。
[0024] 現(xiàn)在，如果基于所述MEMS變抗器的VCO在所述鎖相回路中操作，那么產(chǎn)生的相位 噪聲的特征由于所述MEMS變抗器對總噪聲行為的影響而改變。由于所述控制帶寬大于所 述MEMS變抗器的機械共振頻率的實施方式，因為所述鎖相回路具有通過所述鎖相回路的 放大的控制特性，在所述鎖相回路的VCO中的所述MEMS變抗器的相位噪聲的影響推到低于 所述機械共振頻率的范圍，從而在所述控制帶寬內(nèi)實現(xiàn)了非常低的噪聲輸出，所述噪聲輸 出設(shè)置成顯著低于續(xù)流振蕩器的噪聲輸出。高于所述機械共振頻率，產(chǎn)生的相位噪聲由于 所述MEMS變抗器的影響而W20分貝/十倍頻（優(yōu)選地為60分貝/十倍頻）下降，從而所 述MEMS變抗器的噪聲行為W越來越不靈敏的方式進入到總噪聲行為中。通過將所述控制 帶寬與所述MEMS變抗器的機械共振頻率匹配，所述負(fù)影響被抑制低于所述機械共振。高于 所述共振頻率時，該些負(fù)影響不再可見。對于振動，所述MEMS變抗器的工作類似于具有機 械濾波器帶寬的機械濾波器。所述鎖相回路的帶寬和該機械濾波器帶寬必須彼此互相匹 配。因此，消除了所述MEMS變抗器的缺點，特別是來自分子運動的噪聲（也被稱作布朗噪 聲）的影響和振動的影響，且實現(xiàn)了所述鎖相回路的良好的噪聲行為。
[00巧]所述MEMS變抗器優(yōu)選地通過模擬直流電壓控制。
[0026] 在優(yōu)選的實施方式中，變抗器集成在集成控制的振蕩器巧的金屬層中。關(guān)于該點， 完全集成的可能性為寬帶的可調(diào)諧的控制振蕩器提供了成本令人滿意的制造變型。
[0027] 所述鎖相回路優(yōu)選地在反饋回路中設(shè)置有頻率分離器。W該方式，所述鎖相回路 的輸出頻率可被改變。因此，通過所述鎖相回路產(chǎn)生了穩(wěn)定的和可調(diào)節(jié)的頻率。
[002引所述鎖相回路優(yōu)選地在相位檢測器和所述控制振蕩器之間的信號路徑中設(shè)置積 分器（也被定名為回路濾波器）。所述回路濾波器用于將控制電壓（其設(shè)置在所述控制帶 寬中）提供給控制振蕩器。恒定振蕩器的輸入電壓在