CN101295962A - 振荡装置及降低振荡装置产生的振荡信号的相位噪声方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭露一种振荡装置及降低振荡装置产生的振荡信号的相位噪声方法。所述的振荡装置用来产生振荡信号，所述的振荡装置包含：谐振装置，跨导装置，偏压装置，以及电流补偿装置；谐振装置用来产生振荡信号；跨导装置，耦接至谐振装置，用来向谐振装置提供正反馈环路；偏压装置，耦接至跨导装置，用来向跨导装置提供偏压电流；以及电流补偿装置，耦接于谐振装置与偏压装置之间，用来向偏压装置提供补偿电流以补偿跨导装置的电流降低。本发明提供的具有电路补偿装置的振荡装置及其方法能够降低振荡装置产生的振荡信号的相位噪声，提高振荡装置的性能。

Description

振荡装置及降低振荡装置产生的振荡信号的相位噪声方法
技术领域
本发明是关于振荡装置，特别关于一种低相位噪声振荡装置及降低振荡装置产生的振荡信号的相位噪声方法。
背景技术
相位噪声是无线通讯电路设计中的固有问题。其主要归因于在振荡电路中与调谐电路一同使用以便持续振荡的金属氧化物半导体(MOS)晶体管所产生的噪声，并且归因于非线性传输特性的1/f基带噪声频谱的频带调制以及MOS晶体管的极限行为。现有的降低相位噪声是利用谐振槽电路(resonanttank circuit)的滤波效应。降低相位噪声的有效性是依赖于负载品质参数(loaded quality factor)Q，其中品质参数Q指示谐振槽电路中相对于总储存能量的每周期损耗的能量。每周期损耗的能量为电抗元件(reactive element)损耗的能量，且输出的能量用来促进振荡器的振荡。由于谐振槽电路的调谐元件(例如压控振荡器的变容二极管(varactor diode))的能量损耗是降低品质参数Q的主要因素。因此，谐振槽电路的负载品质参数Q能够决定滤波相位噪声的能力。
请参阅图1。图1为现有技术的电感电容压控振荡器(LC VCO，Inductive/capacitive voltage-controlled oscillator)10的示意图。电感电容压控振荡器10包含电感电容谐振器(LC resonator)11，交叉耦合式N沟道金属氧化物半导体(NMOS)晶体管M1与M2，及尾电流源(tail current source)12。电感电容谐振器11包含电感器L1与L2，以及电容器C1。尾电流源12包含NMOS晶体管。另外，现有技术电感电容振荡器10采用尾电流源12，能够提供较佳的共模抑制(common-mode rejection)(即，对应于电源电压或者接地电压共模波动具有较小灵敏度)。此外，现有的使用尾电流源12的电感电容振荡器10与电压偏置压控振荡器(voltage-biased VCO)相比较，能够提供较小的制程边界变异(process corner variation)。导致现有的电感电容振荡器10的相位噪声的主要因素为交叉耦合式NMOS晶体管M1与M2，尾电流源12，以及与电感电容谐振器11的损耗相关的节点噪声，其中，由尾电流源12产生的噪声可以恶化现有的电感电容振荡器的噪声。另一方面，由谐振器11产生的热噪声(thermal noise)可以利用具有较高品质参数Q的电感器、电容器、以及变容器来降低。但是，对于无源元件(passive component)可得到的最大品质参数Q主要由技术局限性决定，并且通过设计与布局技术仅可稍加改善。因此，前述的滤波技术是用来降低由尾电流源12产生的相位噪声。然而，大多数尾电流滤波技术着重滤波二次谐波的噪声并且通常消耗较大的电路/晶体面积。
Babak Soltanian以及Peter R.Kingset在2006年8月发表于IEEEJOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS，VOL.41，NO.8上的题为“TailCurrent-Shaping to Improve Phase Noise in LC Voltage-Controlled Oscillators”的论文中，提供了一种解决方案，所述的方案将尾电流整形(tail-current shaping)技术引入电感电容压控振荡器来增加振幅、降低相位噪声、并且保持固定功率消耗。根据所述的方案，当振荡器输出电压达到最大值或者最小值以及当输出相位相对于注入噪声的灵敏度达到最小值时，尾电流被增大；而当相位噪声的灵敏度较大时，在输出电压零交越(zero crossing)期间，尾电流被减小。因此，可以降低有源元件(active device)产生的相位噪声，并且与具有相同功率消耗的一般的压控振荡器相比，所述的压控振荡器具有较大的振动振幅，并且因此获得较佳的直流(DC)射频(RF)转换。
B.D.Muer、M.Borremans、M.Steyaert以及G.L.Puma在2000年7月发表于IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS，VOL.35，NO.7上的题为“A 2-GHz Low-Phase-Noise Integrated LC-VCO Set with Flicker-NoiseUp-conversion Minimization”的论文中，提供另一种解决方案。所述的方案通过上转换(up-converting)电感电容压控振荡器产生的闪烁噪声(flicker noise)来最小化相位噪声。所述的方案定义了闪烁噪声上转换因子以将闪烁噪声最小化上转换至1/f3特性相位噪声。
A.Hajimiri以及T.H.Lee在1999年5月发表于IEEE JOURNAL OFSOLID-STATE CIRCUITS，VOL.34，pp.717-724上的题为“Design issues inCMOS differential LC oscillators”的论文中，提供了又一种解决方案。所述的方案降低差分振荡器(differential oscillator)的相位噪声因子(phase noise factor)。所述的方案设置大的电容器与电感电容振荡器电流源并联，以缩小差分对(differential pair)中切换电流的工作周期(duty cycle)，即在不同零交越(zerocrossing)处降低瞬时场效晶体管(FET)电流，因此降低差分对场效晶体管产生的相位噪声。
发明内容
因此，本发明的主要目的是提供一种利用电路补偿装置降低振荡装置产生的振荡信号的相位噪声的振荡装置及其方法。
依据本发明的第一实施方式，其提供一种振荡装置，所述的振荡装置是用来产生振荡信号。所述的振荡装置包含：谐振装置、跨导装置、偏压装置及电流补偿装置。谐振装置是用来产生振荡信号；跨导装置耦接至谐振装置，并用来向谐振装置提供正反馈环路；偏压装置耦接至跨导装置，并用来向跨导装置提供偏压电流；以及电流补偿装置耦接于谐振装置与偏压装置之间，并用来向偏压装置提供补偿电流以补偿跨导装置的电流降低。
依据本发明另一实施方式，其提供一种降低振荡装置产生的振荡信号的相位噪声的方法，所述的方法包含：将振荡装置设计为包含：用来产生振荡信号的谐振装置，用来向谐振装置提供正反馈环路的跨导装置，及用来向跨导装置提供偏压电流的偏压装置；以及直接连接谐振装置的共模节点与跨导装置的共模节点。
依据本发明另一实施方式，其提供一种降低振荡装置产生的振荡信号的相位噪声的方法，所述的方法包含：将振荡装置设计为包含：用来产生振荡信号的谐振装置，用来向谐振装置提供正反馈环路的跨导装置，及用来向跨导装置提供偏压电流的偏压装置；以及将电感装置耦接于谐振装置的共模节点与跨导装置的共模节点之间。
依据本发明另一实施方式，其提供一种降低振荡装置产生的振荡信号的相位噪声的方法，所述的方法包含：将振荡装置设计为包含：用来产生振荡信号的谐振装置，用来向谐振装置提供正反馈环路的跨导装置，及用来向跨导装置提供偏压电流的偏压装置；以及将电容装置耦接于谐振装置的共模节点与跨导装置的共模节点之间。
本发明提供的具有电路补偿装置的振荡装置及其方法能够降低振荡装置产生的振荡信号的相位噪声，提高振荡装置的性能。
附图说明
图1为现有技术的电感电容压控振荡器示意图。
图2为依据本发明第一实施方式的振荡装置示意图。
图3为图2所示的振荡装置的振荡信号，补偿电流，偏压电流，以及有效电流的时序图。
图4为图2以及现有技术所述的振荡装置的相位噪声示意图。
图5为依据本发明第二实施方式的振荡装置示意图。
图6为依据本发明第三实施方式的振荡装置示意图。
图7为依据本发明第四实施方式的振荡装置示意图。
图8为依据本发明第五实施方式的振荡装置示意图。
图9为依据本发明第六实施方式的振荡装置示意图。
图10为依据本发明降低振荡装置的振荡信号的相位噪声的方法示意图。
具体实施方式
在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定的元件。本领域技术人员应可理解，制造商可能会用不同的名词来称呼同样的元件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区分的基准。在通篇说明书及后续的权利要求书中所提及的“包含”为开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。另外，“耦接”一词在此是包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述第一装置耦接于第二装置，则代表第一装置可直接电气连接于第二装置，或通过其它装置或连接手段间接地电气连接至第二装置。
请参阅图2，图2为依据本发明第一实施方式的振荡装置100示意图。振荡装置100包含：谐振装置102，跨导装置(transconductive device)104，偏压装置106以及电流补偿装置108。谐振装置102产生振荡信号Sosc。跨导装置104是耦接至谐振装置102，且配置为向谐振装置102提供正反馈环路。偏压装置106是耦接至跨导装置104，且配置为向跨导装置104提供偏压电流Ibias。电流补偿装置108是耦接于谐振装置102与偏压装置106之间，且配置为向偏压装置106提供补偿电流Icomp以补偿跨导装置104的电流降低。
本实施方式中，谐振装置102包含电感器La、Lb以及电容器Ca、Cb，其中，电感器La的一个节点耦接至电源电压Vdd并且另一节点N1耦接至电容器Ca的一个节点，电感器Lb的一个节点耦接至电源电压Vdd并且另一个节点N2耦接至电容器Cb的一个节点。如图2所示，电容器Ca与电容器Cb在节点N3处连接。此外，跨导装置104包含相互交叉耦合的第一NMOS晶体管Ma以及第二NMOS晶体管Mb。另外，晶体管Ma的栅极节点耦接至节点N2，并且晶体管Mb的栅极节点耦接至节点N1，其中节点N1及节点N2输出差分振荡信号(differential oscillating signal)(即振荡信号Sosc)。偏压装置106为电流源，其节点N4耦接至NMOS晶体管Ma与NMOS晶体管Mb的共享源极(commonsource)节点，偏压装置106产生偏压电流Ibias至第一NMOS晶体管Ma与第二NMOS晶体管Mb，并且偏压装置106的另一节点耦接至接地电压Vss。所述的实施方式中，电流补偿装置108可以通过导线实现，其第一节点直接连接于谐振装置102的共模节点(common mode node)(即节点N3)以及第二节点直接连接于跨导装置104的共模节点(即节点N4)。
当跨导装置104与谐振装置102之间正反馈条件成立时，振荡装置100产生振荡信号Sosc。在此需注意的是，硬件(电感器La、Lb，电容器Ca、Cb，NMOS晶体管Ma、Mb)以及偏压电流Ibias为本领域的技术人员所熟悉，故在此省略其详细叙述以简化说明。另外，为更加详细描述本发明实施方式，振荡信号Sosc的频率假设为fo，并且振荡信号Sosc由节点N1与N2分别输出的第一输出电压V+以及第二输出电压V-组成。参阅图3，图3为图2所示的振荡装置的振荡信号Sosc，补偿电流Icomp，偏压电流Ibias，以及有效电流Ieff的时序图。其中有效电流Ieff为节点N4上的NMOS晶体管Ma以及Mb的源极有效电流。换言之，有效电流Ieff为电流Ima与Imb的和。
当振荡装置100运行时，第一输出信号V+在节点N1上以频率fo摆动(swing)，且反信号(即第二输出信号V-)在节点N2上以频率fo摆动；因此，如果振荡装置100的配置对称，节点N3上的电压为振荡信号Sosc的共模电压。另外，节点N3上的共模电压为振荡信号Sosc的零交越点(如图3所示)。当电压在零交越点附近时，NMOS晶体管Ma、Mb近似断开或完全断开，根据振荡装置100的实际情况而定。因此，有效电流Ieff接近于零。换言之，电流Ima与Imb接近于零。由于在实际应用中偏压电流Ibias并非理想，如果没有补充电流注入节点N4，偏压电流Ibias将以频率2*fo减少。另一方面，虽然电流Ima与Imb接近于零，电感电流ILa与ILb仍存在。因此，根据本发明的实施方式，电流补偿装置108配置为提供电流路径以供给节点N4注入电流(即补偿电流Icomp)。从而，偏压电流Ibias能够大体上保持为常数。因此，本发明的实施方式通过电流补偿装置108以频率2*fo重新利用谐振装置102的电流。换言之，偏压电流Ibias可以看作由电流Ima，电流Imb，或者补偿电流Icomp供应。
如本领域技术人员所知，振荡装置100运行时的相位噪声主要由谐振装置102的NMOS晶体管Ma与Mb的闪烁噪声产生。与现有的振荡装置相比较，本实施方式具有更少的电流流过NMOS晶体管Ma与Mb，因此本发明的振荡装置100的相位噪声也就更低。请参阅图4。图4为图2所示的振荡装置100以及现有的振荡装置的相位噪声比较示意图。所述的实施方式中，NMOS晶体管Ma与Mb的跨导值(gm)设置为19.14毫西门子(mS)，偏压电流Ibias设置为5毫安(mA)，曲线402代表依据本发明的振荡装置100的相位噪声，并且曲线404代表利用现有的尾电流整形方法的振荡装置的相位噪声。可以看出，与现有的振荡装置相比较，振荡装置100的相位噪声更低。另一方面，本实施方式中，由NMOS晶体管Ma与Mb产生的相位噪声分别占振荡装置100的总相位噪声(即曲线402)的9.91％与10.51％；而在现有的电感电容压控振荡器(LC-VCO)中，具有相同作用的晶体管产生的相位噪声分别占电感电容压控振荡器的总相位噪声(即曲线404)的45.66％与45.86％。因此，依据本发明上述实施方式可以得到具有更佳相位噪声性能的电感电容压控振荡器。
请参阅图5。图5为依据本发明第二实施方式的振荡装置200示意图。振荡装置200包含谐振装置202，跨导装置204，偏压装置206，以及电流补偿装置208。其中电流补偿装置208包含电感器。类似于上述第一实施方式，电感器的一个节点直接连接至谐振装置202的共模节点，并且另一个节点直接连接至跨导装置204的共模节点。电流补偿装置208的电感器可实现提供电流路径以将注入电流供应至偏压装置206产生的偏压电流，从而，使得偏压电流能够大体上保持为常数。请注意，由于振荡装置200类似于振荡装置100，因此，在阅读上述实施方式的振荡装置100的揭露内容后，本领域的技术人员应可了解振荡装置200本身的操作，故其细节于此不另赘述。
请参阅图6。图6为依据本发明第三实施方式的振荡装置300示意图。振荡装置300包含谐振装置302，跨导装置304，偏压装置306，以及电流补偿装置308。其中电流补偿装置308包含电容器。类似于上述实施方式，电容器的一个节点直接连接至谐振装置302的共模节点，并且另一个节点直接连接至跨导装置304的共模节点。电流补偿装置308的电容器可实现提供电流路径以将注入电流供应至偏压装置306产生的偏压电流，从而，使得偏压电流能够大体上保持为常数。请注意，由于振荡装置300类似于振荡装置100，因此，在阅读上述实施方式的振荡装置100的揭露内容后，本领域的技术人员应可了解振荡装置300本身的操作，故其细节于此不另赘述。
此外，需注意的是，本发明的谐振装置可以为任何种类的电感电容槽谐振器(LC tank resonator)。例如，本发明的实施方式利用切换电容器组(switching capacitor groups)组成电感电容槽谐振器，来调谐(tuning)振荡装置的振荡频率。然而，这仅作为说明之用，并非作为本发明的限制条件。请参阅图7。图7为依据本发明第四实施方式的振荡装置400示意图。振荡装置400包含谐振装置402，跨导装置404，偏压装置406，以及电流补偿装置408。其中，谐振装置402包含电感器Lc、Ld以及电容槽(capacitor tank)4021。电容槽4021包含多个切换电容器组。每个切换电容器组包含两个开关与两个电容器，其连接方式如图7所示，其中，电流补偿装置408的一个节点耦接至每两个电容器的连接节点，并且电流补偿装置408的另一个节点直接连接于跨导装置404的共模节点。请注意，由于振荡装置400类似于振荡装置100，因此，在阅读上述实施方式的振荡装置100的揭露内容后，本领域的技术人员应可了解振荡装置400本身的操作，故其细节于此不另赘述。
请参阅图8。图8为依据本发明第五实施方式的振荡装置500示意图。振荡装置500包含谐振装置502，跨导装置504，偏压装置506，以及电流补偿装置508。其中，谐振装置502包含电感器Le、Lf，电容槽(capacitor tank)5021，电容器Cc、Cd，以及调谐电容装置(tuning capacitance device)5022，其中电感器Le的一个节点耦接至电源电压Vdd并且另一个节点Na耦接至电容Cc的一个节点；电感器Lf的一个节点耦接至电源电压Vdd并且另一个节点Nb耦接至电容Cd的一个节点。此外，电容器Cc在节点Nc连接电容器Cd。电容槽5021耦接于节点Na与Nb之间。调谐电容装置5022耦接至节点Nc，其中，电流补偿装置508的一个节点直接连接至节点Nc而另一个节点直接连接至跨导装置504的共模节点(如图8所示)。请注意，由于振荡装置500类似于振荡装置100，因此，在阅读上述实施方式的振荡装置100的揭露内容后，本领域的技术人员应可了解振荡装置500本身的操作，故其细节于此不另赘述。
请参阅图9。图9为依据本发明第六实施方式的振荡装置600示意图。振荡装置600包含谐振装置602，跨导装置604，偏压装置606，以及电流补偿装置608。谐振装置602包含电感器Lg，电容器Ce、Cf，以及交叉耦合式NMOS晶体管Mc与Md，其中，交叉耦合式NMOS晶体管Mc与Md具有共享源极端，耦接至电源电压Vdd，NMOS晶体管Md的栅极端是耦接至电感器Lg的节点Nd，并且NMOS晶体管Mc的栅极节点是耦接至电感器Lg的另一个节点Ne。本实施方式中，电容器Ce的一个节点是耦接至节点Nd，且电容器Cf的一个节点是耦接至节点Ne，以及电容器Ce与电容器Cf耦接于节点Nf，其中，电流补偿装置608的一个节点直接连接至节点Nf且另一个节点直接连接至跨导装置604的共模节点(如图9所示)。请注意，由于振荡装置600类似于振荡装置100，因此，在阅读上述实施方式的振荡装置100的揭露内容后，本领域的技术人员应可了解振荡装置600本身的操作，故其细节于此不另赘述。
请注意，虽然本发明上述实施方式基于NMOS跨导装置描述说明，本领域技术人员可轻易理解基于PMOS跨导装置的不同修改均属于本发明所主张的范围。
请参阅图10。图10为依据本发明降低振荡装置的振荡信号的相位噪声的方法示意图。所述的方法可结合图2所示的振荡装置100描述，其步骤如下：
步骤700：设计振荡装置100使其包含：谐振装置102用来产生所述的振荡信号Sosc，跨导装置104用来向谐振装置102提供正反馈环路，以及偏压装置106用来向跨导装置104提供偏压电流Ibias。
步骤701：决定谐振装置102的共模节点N3。
步骤702：决定跨导装置104的共模节点N4。
步骤703：连接谐振装置102的共模节点N3与跨导装置104的共模节点N4。
请注意，在步骤703中，本发明的一个实施方式利用电感装置连接谐振装置102的共模节点N3与跨导装置104的共模节点N4，而本发明的另一实施方式利用电容装置连接谐振装置102的共模节点N3与跨导装置104的共模节点N4。
任何本领域技术人员可轻易完成的改变或均等性的安排均属于本发明所主张的范围，本发明的权利范围应以权利要求为准。

Claims (8)

1.一种振荡装置，用来产生振荡信号，其特征在于，所述的振荡装置包含：
谐振装置，用来产生所述的振荡信号；
跨导装置，耦接至所述的谐振装置，用来向所述的谐振装置提供正反馈环路；
偏压装置，耦接至所述的跨导装置，用来向所述的跨导装置提供偏压电流；以及
电流补偿装置，耦接于所述的谐振装置与所述的偏压装置之间，用来向所述的偏压装置提供补偿电流以补偿所述的跨导装置的电流降低。
2.根据权利要求1所述的振荡装置，其特征在于，所述的电流补偿装置产生相应于所述的振荡信号的周期电流作为所述的补偿电流。
3.根据权利要求1所述的振荡装置，其特征在于，所述的电流补偿装置为导线，所述的导线的第一节点直接连接于所述的谐振装置的共模节点且所述的导线的第二节点直接连接于所述的跨导装置的共模节点。
4.根据权利要求1所述的振荡装置，其特征在于，所述的电流补偿装置为电感装置，所述的电感装置的第一节点耦接于所述的谐振装置的共模节点且所述的电感装置的第二节点耦接于所述的跨导装置的共模节点。
5.根据权利要求1所述的振荡装置，其特征在于，所述的电流补偿装置为电容装置，所述的电容装置的第一节点耦接于所述的谐振装置的共模节点且所述的电容装置的第二节点耦接于所述的跨导装置的共模节点。
6.一种降低振荡装置产生的振荡信号的相位噪声的方法，其特征在于，所述的方法包含：
将振荡装置设计为包含：用来产生所述的振荡信号的谐振装置，用来向所述的谐振装置提供正反馈环路的跨导装置，以及用来向所述的跨导装置提供偏压电流的偏压装置；以及
直接连接所述的谐振装置的共模节点与所述的跨导装置的共模节点。
7.一种降低振荡装置产生的振荡信号的相位噪声的方法，其特征在于，所述的方法包含：
将振荡装置设计为包含：用来产生所述的振荡信号的谐振装置，用来向所述的谐振装置提供正反馈环路的跨导装置，以及用来向所述的跨导装置提供偏压电流的偏压装置；以及
将电感装置耦接于所述的谐振装置的共模节点与所述的跨导装置的共模节点之间。
8.一种降低振荡装置产生的振荡信号的相位噪声的方法，其特征在于，所述的方法包含：
将振荡装置设计为包含：用来产生所述的振荡信号的谐振装置，用来向所述的谐振装置提供正反馈环路的跨导装置，以及用来向所述的跨导装置提供偏压电流的偏压装置；以及
将电容装置耦接于所述的谐振装置的共模节点与所述的跨导装置的共模节点之间。
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