3 DCO调频的过程

本文讨论的 DCO 变容管阵列采用二进制权的形式 即如图 3 所示的模型

我们通过一个例子来讨论 DCO 的调频方式 对于一个中心频率为 2.4GHz的蓝牙系统 当我们要求它的分辨率为 1kHz 时 那么至少需要 2.4GHz/1kHz<22222 比特的动态范围 这在工艺技术上是很难达到的 目前的工艺匹配精度一般只达到了 8~9 比特 而且超过 10 比特的精度 工艺上就需要使用很复杂的数字校正技术 为了解决这一问题 我们采用三种模式逐级递进的工作方式 如图 4所示 同时相应的变容管阵列也被分为三个部分[5]

步 PVT 校准模式 用来校准由于工艺-电压-温度因素造成的很大范围内的频率偏差 而且只需 1-2MHz 的精度就可以满足 PVT 校准的要求 这样 8 比特的动态范围可以胜任

第二步 ACQ 模式 主要目的是使 DCO 工作在所要求的频道上 使用 8 比特的调频精度 500kHz 左右的调频步长 能覆盖大于100MHz 的调频范围

第三步 捕捉锁定模式 这一步可以得到的频率分辨率 不过调频宽度也是最窄的 主要分为整数部分和小数部分两部分调节 其中小数部分通过使用高速抖动的数字 Sigma-Delta 调制技术能够得到非常高的频率分辨率

在这种工作模式下 PVT 变容管阵列和 ACQ 变容管阵列都采用二进制权的结构

而捕捉锁定模式需要在很小的频率范围内达到很高的频率分辨率 因此不能使用二进权变容管阵列 因为 1 会有很大的二进制选择噪声2不同规格的设备之间的匹配性很低 等等 因此这种模式下使用单位元件变容管阵列的结构

值得一提的是 在任何时候 每个模式下的变容管阵列的匹配精度只需满足当前 FCW 的精度要求即可 这也是为什么只需要 8比特的匹配精度就可以得到非常高的频率分辨率

DCO 的这种三种模式递进的工作方式可以用数学方法来表示 DCO 在启动或者重置时通过适当的设置 dk 有一个中心频率或者称为本征频率 fc 这种设置一般是让变容管阵列有一半或近似一半处于高电容状态 这样可以使得频率往两个方向都可以有较高的调节范围 中心频率大小为

其中 Cc 是 LC 振荡器的总电容值 在 PVT 模式中 DCO 通过设定合适的 dP

控制信号使频率接近我们所要求的值 此时的总电

容变为 Ctot,p=Cc+Δ CP

通过这一模式调节后的频率为

ACQ 模式将以 fcP作为中心频率进行进一步的调节 通过设置适当的 dA 值可以得到新的电容总值为 Ctot,A=Cc+ CP+ CA 结果频率为

需要注意的是 CP和 CA 既可以是正值 也可以负值 同理 锁定模式将以 fcA 作为其中心频率进行调频 通过输入适当的 dT使总电容值变为 Ctot,T=Cc+ CP+ CA+ CT此模式所得到的频率就是由公式 2 设定的值

这种模式推进的工作方式包含两个模式选择的过程 这两个过程会将中心频率快速的转换到越来越接近我们所要求的频率的值点上 在 PVT 模式和 ACQ 模式结束的时候 它们最终的电容阵列状态将被冻结并开始建立一个新的中心频率 fcP或 fcA 在后来的锁定模式中作为计算频率补偿的依据

采用三种模式递进工作方式的 DCO 电路结构简图如图 5 所示

总结

本文论述了应用于现代无线通讯领域的一种新型振荡器的原理以及结构特点 它采用了数字向频率转化的原理 在各方面的使用性能上都相较于传统压控振荡器有很大的改善 将越来越多的应用于无线射频系统

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