CN101273523B - 振荡器电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及振荡器电路(200a、200b、300、400)，包括谐振元件、有源元件、反馈环路和包含相移元件的附加环路。

Description

振荡器电路

技术领域

本发明涉及具有多环路的振荡电路。 

背景技术

包括有源元件A和反馈元件β的单端振荡器的基本概念在图5中示出。为了在电振荡器中开始和保持振荡，通常通过反馈网络将有源元件的输出反馈到有源器件的输入，这产生大于1的环路增益。反馈元件通常具有窄带特性。此外，可以通过对反馈元件的中心频率进行电控制来改变振荡器的振荡频率。 

在图1a和1b中进一步图示了差分实现方式。为了产生具有低相位噪声的振荡器，一个或多个有源器件的快速转换(switching)是有利的。此外，如果要求低相位噪声，则由有源器件注入到谐振元件的电流与谐振元件上的电压之间的时间关系是很重要的，如图1a中所示。 

为了实现快速转换，可以通过增加有源器件的增益来增加环路增益，有源器件的增益是通过具有更宽的器件(wider device)(这在FET(场效应晶体管)的情况下是有效的)，或通过增加有源器件的偏流来增加的。然而，增加功率消耗是不希望的并且更宽的晶体管将会导致更多寄生电容，这会抵制快速转换。此外，用图1a和1b中示出的共用振荡器拓扑结构以最优的方式控制注入的电流脉冲的相位是不可能的。 

在图1a中，振荡器电路100a包括两个谐振元件101a和102a，这两个元件在共用端子处从供给电压110a来馈电并且被分别连接到晶体管T1a和T2a的漏极和栅极。反馈元件103a被连接在晶体管T1a的漏极和晶体管T2a的栅极之间，而反馈元件104a被连接在晶体管T2a的漏极和晶体管T1a的栅极之间。可选地，偏压源120a可以经由阻抗元件105a连接到晶体管T1a和T2a的栅极。晶体管的源极被AC接地，可选地通过偏流源130a被AC接地。 

图1b图示了另一振荡器电路100b，其中谐振元件101b被连接到有源元件T1b和T2b的漏极。包括两个晶体管T3b和T4b的有源元件分别连接到与T1b和T2b所共用的栅极和漏极。T3b的漏极被连接到T4b和T2b 的共用栅极，而T4b的漏极被连接到T3b和T1b的共用栅极，从而构成反馈。所述电路是用供给电压110b通过T3b和T4b的源极来馈电的。晶体管T1b和T2b的源极被接地，可选地通过偏流源130b接地。 

在根据图1b中的电路中提供附加反馈元件也是可能的。此外，电流源能够被提供于电路之上。

根据IEEE Solid State Circuits期刊，1999年5月，34卷5号的A.Hajimiri等人的“Design Issues in CMOS Differential LC Oscillators”的现有技术，公开了振荡器的拓扑结构，其中实现了快速转换和电流脉冲优化。然而，该文件没有记载根据本发明的新颖性连接。 

发明内容

本发明的目的是提供具有快速转换特性和电流脉冲优化的振荡器。本发明允许以非常紧凑(且低寄生)的方式实现。所述特性还允许基于该拓扑结构的非常高频率的VCO。 

因此，根据优选实施例的本发明将提供更快和/或更优化的转换，从而对于固定的偏流而言引起较低的振荡器相位噪声。 

在优选实施例中，源节点和地之间的电流为其DC分量获得较低的幅度。 

由于这些原因的缘故，振荡器电路包括谐振元件、有源元件和反馈环路和包含相移元件的附加反馈环路。所述谐振元件被连接到所述有源元件的漏极，而所述反馈环路被连接到所述有源元件的栅极和所述谐振元件，并且所述附加反馈环路被连接在所述有源元件的漏极和栅极之间。 

所述附加元件还可以被提供有辅助放大(supplementary amplification)。 

根据本发明的一个实施例，所述振荡器电路还包括：两个谐振元件，具有从供给电压馈电的第一共用端子和被连接到第一和第二晶体管的漏极的第二端子，所述第一和第二晶体管分别被作为有源元件提供；反馈元件，其被连接在所述第一晶体管的漏极和第二晶体管的栅极之间；以及用于每个晶体管的反馈，其包括相移元件。优选地，所述反馈包括被分别连接在所述第一和第二晶体管的漏极和栅极之间的放大器和反相器网络。晶体管的源极通过以下方式之一接地：直接接地，通过偏流 源接地，经由电阻器、阻碍(impeditive)元件或电流发生器接地。偏压网络可以被连接到所述第一和第二晶体管的栅极。 

根据第二实施例，所述振荡器电路包括：第一晶体管对；第二晶体管对；谐振元件，其被布置连接到第一和第二有源元件对的漏极；第一和第二有源元件对；每个晶体管对都将栅极和漏极连接起来，其中晶体管对中的第一晶体管的漏极被连接到晶体管对中的第二晶体管的共用栅极；供给电压源，其被连接到第一和第二晶体管的源极；以及附加反馈元件，其被连接在有源元件的漏极和栅极之间。 

谐振元件可以包括一个或多个LC电路，而反馈元件可以包括电容器或变压器。 

附加反馈环路包括晶体管，所述晶体管将它们的栅极分别连接到相同晶体管的漏极，并且将它们的输出(漏极)连接到晶体管的栅极。偏压能够被施加到反馈晶体管的源极。 

优选地，反馈环路包括反相器网络和/或放大器。 

本发明还涉及用于向振荡器提供快速转换特性和电流脉冲优化的方法，所述方法包括以下步骤：用谐振元件、有源元件和反馈环路来布置振荡器电路，以及向所述电路提供包括相移元件的附加反馈环路。 

本发明还涉及包括如上所述的振荡器的电路。 

附图说明

在下文中，将参照附图以非限制性方式进一步描述本发明，在所述附图中： 

图1a和1b示意性地图示出根据现有技术的具有振荡器拓扑结构的电.路， 

图2a和2b示意性地图示出根据本发明的基本概念、分别与图1a和1b中图示的电路相对应的具有振荡器拓扑结构的电路， 

图3是图示本发明的第三实施例的示意图， 

图4是图示本发明的第四实施例的示意图， 

图5是基本的振荡器概念， 

图6图示了基于本发明的一个实施例的源对地电流图，以及 

图7图示了基于本发明的一个实施例的相位噪声特性图。 

具体实施方式

根据本发明，根据图1a和1b的电路被修改并且包括附加的正反馈环路，所述正反馈环路包括具有可变增益和可变相移特性的器件。通过该优化，对于振荡器而言能够获得降低的相位噪声。所增加的环路中的有源器件将具有高阻抗负载，尽管具有低电流消耗仍然提供了额外的电压增益。这在图2a和2b中示出。 

因此，图2a图示了根据本发明的一个示例性实施例的振荡器电路200a，包括两个谐振元件201a和202a，这两个元件在共用端子处从供给电压210a(V_DD)来馈电并且分别被连接到晶体管T1a和T2a的漏极。反馈元件203a和204a被串联连接在一个晶体管的漏极到另一个晶体管的栅极之间，反之亦然。包括源220a的偏压网络被连接到晶体管T1a和T2a的栅极，所述源220a对例如阻抗元件205a和206a的共用端子进行馈电。晶体管的源极可选地通过偏流源230a接地。然而，它还可以经由电阻器、阻碍元件或电流发生器直接接地。根据本发明的反馈包括分别连接在每个晶体管T1a和T2a的漏极和栅极之间的放大器和反相器网络(电路或元件)207a和208a。反馈元件的基本特性是移位和放大。 

尽管图示的有源元件T1a和T2a是MOS晶体管，但是很显然，它们可以被任意类型的有源元件代替。这对在此所图示和描述的所有实施例都适用。 

图2b图示了根据本发明的第二示例性实施例、并且与图1b的电路对应的另一振荡器电路200b，其中谐振元件201b被布置连接到有源元件T1b和T2b、T3b和T4b的漏极。两个晶体管T3b和T4b分别连接到与T1b和T2b所共用的栅极及漏极。T3b的漏极被连接到T4b和T2b的栅极，而T4b的漏极被连接到T3b和T1b的栅极。T1b、T2b和T3b、T4b之间的栅极-漏极连接构成两个反馈环路，这使振荡器能够振荡。同样，在反馈路径中可以提供有反馈元件。所述电路是用供给电压210b通过T 3b和T4b的源极来馈电的。晶体管T1b和T2b的源极被接地。反馈元件207b和208b被连接在有源元件T1b、T2b、T3b和T4b的输出(漏极)和栅极之间。207b和208b提供了附加反馈环路。因此，有源元件被成对连接并且两对是互补的。所述电路还可以包括接地的源。 

本发明的更详细的示例性实施例在图3中示出。谐振元件301和302 包括LC电路。反馈元件303和304可以包括变压器或其他AC耦合元件。根据本发明的附加正反馈包括晶体管T5和T6，所述晶体管T5和T6将它们的栅极分别连接到晶体管T1和T2的漏极，而将它们的输出(漏极)连接到晶体管T1和T2的栅极。控制电压(V_CTRL)被施加到反馈(PMOS)晶体管T5和T6的源极。元件305(它可以是电感器或其他AC高阻抗元件)起着具有或不具有附加反馈环路的电流发生器的作用。 

在图4中所示的第四示例性实施例中，与图3的实施例类似，反馈网络包括反相器网络，所述反相器网络包括晶体管T5、T6、T7和T8，以及反馈元件403和404。在该情况下反相器网络包括N沟道晶体管T7和T8，所述N沟道晶体管T7和T8在源极接地并且分别经由漏极连接到T1和T2的栅极以及T5和T6的漏极。 

为了验证根据本发明的电路的功能性，已经执行了一些仿真。图6的图示出根据图3的振荡器中的源到地电流，其中能够观察到电流幅度的较大差别以及改善的电流波形。低电流消耗是很明显的。电流的AC-和DC分量这二者都已被减少。这是由于增强的转换和电流波形。在该图中，虚线示出普通振荡器的源电流时间依存关系(dependency)，而实线示出根据本发明的电路的源电流时间依存关系。应该注意到，现有技术拓扑结构和根据本发明的实施例这二者提供基本上相同的相位噪声性能，但是对于根据本发明的实施例，功率消耗(它与源到地电流的平均值成比例)要低得多。在仿真的拓扑结构中，晶体管假定为：NMOS 100μm/0.1μm(W/L＝1000)，而PMOS 50μm/0.1μm(W/L500)。 

图7图示了给定拓扑结构在具有额外反馈环路和没有额外反馈环路的情况下的最优相位噪声性能的图。在该图中，虚线示出普通振荡器的相位噪声与偏移频率的关系，而实线示出根据本发明的电路的相位噪声与偏移频率的关系。性能的改进没有带来功率消耗的增加。 

本发明的振荡器可以用于任何频率，并且可以用于例如无线电和通信应用内。 

本发明不限于所示出的实施例，而是能够在不偏离所附权利要求的范围的情况下以多种方式改变；所述装置和方法能够根据应用、功能单元、需求和要求等而使用不同技术以各种方式实现。 

Claims (1)

1.包括谐振元件、有源元件和反馈环路的振荡器电路，所述有源元件是MOS晶体管T1和T2，

其特征在于：

包括相移元件的附加反馈环路，

其中所述谐振元件被连接到所述有源元件的漏极，而T1的栅极通过所述反馈环路与连接T2的漏极的谐振元件的一端连接，并且所述附加反馈环路被连接在所述有源元件的漏极和栅极之间，

其中，所述附加反馈环路包括反相器网络，所述反相器网络包括反馈晶体管T5和T6、N沟道晶体管T7和T8以及反馈元件，T7和T8在源极接地并且分别经由漏极连接到T1和T2的栅极以及T5和T6的漏极。

2. 如权利要求1所述的振荡器电路，其中所述振荡器电路还包括：

- 两个谐振元件，其具有从供给电压馈电的第一共用端子和被连接到所述MOS晶体管T1和T2的漏极的第二端子。

3. 如权利要求2所述的振荡器电路，其中所述晶体管的源极通过以下方式之一接地：直接接地，通过偏流源接地，经由阻碍元件或电流发生器接地。

4. 如权利要求2所述的振荡器电路，包括偏压网络，所述偏压网络被连接到所述MOS晶体管T1和T2的栅极。

5. 如权利要求1所述的振荡器电路，其中谐振元件包括一个或多个LC电路。

6. 如权利要求2所述的振荡器电路，其中反馈元件包括电容器或变压器。

7. 如权利要求1所述的振荡器电路，其中偏压（V_bias）被施加到所述反馈晶体管T5和T6的源极。

8. 如权利要求1所述的振荡器电路，其中反馈环路包括反馈元件，所述反馈元件包括电容器或变压器。

9. 包括根据权利要求1-8中任何一项所述的振荡器的电路。

10. 用于向振荡器提供快速转换特性和电流脉冲优化的方法，所述方法包括以下步骤：

- 用谐振元件、有源元件和反馈环路来布置振荡器电路（200a、200b、300、400），所述有源元件是MOS晶体管T1和T2，以及

- 向所述电路提供包括相移元件的附加反馈环路，

其中所述谐振元件被连接到所述有源元件的漏极，而T1的栅极通过所述反馈环路与连接T2的漏极的谐振元件的一端连接，并且所述附加反馈环路被连接在所述有源元件的漏极和栅极之间，

其中，所述附加反馈环路包括反相器网络，所述反相器网络包括反馈晶体管T5和T6、N沟道晶体管T7和T8以及反馈元件，T7和T8在源极接地并且分别经由漏极连接到T1和T2的栅极以及T5和T6的漏极。