CN103001584A - 基于全解耦lc谐振回路的振荡器拓扑及解耦方法 - Google Patents

基于全解耦lc谐振回路的振荡器拓扑及解耦方法 Download PDF

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Abstract

本公开涉及基于全解耦LC谐振回路的振荡器拓扑及解耦方法。提供一种基于谐振回路的振荡器。该振荡器包括一个或更多个有源器件、一个或更多个无源器件以及使用该一个或更多个无源器件中的至少一个来与有源器件解耦的谐振电路。在谐振电路与该一个或更多个有源器件之间的耦合比被设定以使得谐振电路的振荡振幅的最大值仅基于该一个或更多个无源器件的击穿来限定。

Description

基于全解耦LC谐振回路的振荡器拓扑及解耦方法
技术领域
本发明一般地涉及信息处理，并且特别地涉及用于低相位噪声及高振荡振幅的应用的基于全解耦LC谐振回路（tank）的振荡器拓扑（topology）。
背景技术
振荡器的相位噪声是在许多无线的和有线的通信应用、雷达、传感器、成像仪、数据转换器等中的关键性能度量。任何钟控系统的性能都会获益于噪声较低的振荡器。降低振荡器的相位噪声的一种方式是增大振荡的振幅。在给定的技术下，最大的振幅由有源器件（FET、BJT或其他类型的器件）的击穿（breakdown）来确定。振荡器的相位噪声还能够通过使用噪声较低的器件或者击穿较高的器件，通过降低温度等来降低。
振荡器噪声的一般表示由Leeson公式给出如下：
L ( Δω ) = 10 log { 2 FkT P sig ( 1 + ( ω 0 2 QΔω ) 2 ) }
从该公式中，我们看到，在给定的温度T、振荡的频率ω0、载波偏移（offset from the carrier）Δω及Q因数下，降低相位噪声的唯一方式是保持噪声系数F恒定的情况下增大信号功率（Psig）（或者，等效地，振荡的振幅）。在此，k=1.3806503×10-23m2kg/s2/K是波尔兹曼常数。
在给定的技术内，提高振幅噪声比（amplitude to noise ratio）是用于解决该基本问题的最直接可行的方法。重要的是要强调，一般而言，噪声较低的有源器件同样具有较低的击穿电压。另外，在几乎所有的技术中，有源器件的击穿电压比无源器件的击穿电压低得多。还应当注意，某些无源器件（例如，金属-氧化物-金属电容器）的击穿在一定程度上能够通过设计来控制。
发明内容
根据本发明原理的一方面，本发明提供了一种基于谐振回路的振荡器。该振荡器包括一个或更多个有源器件、一个或更多个无源器件以及使用该一个或更多个无源器件中的至少一个与有源器件解耦的谐振电路（tank circuit）。在谐振电路与该一个或更多个有源器件之间的耦合比被设定以使得谐振电路的振荡振幅的最大值仅基于该一个或更多个无源器件的击穿来限定。
根据本发明原理的另一方面，本发明提供了一种方法。该方法包括提供具有一个或更多个有源器件、一个或更多个无源器件及谐振电路的基于谐振回路的振荡器。该方法还包括使用该一个或更多个无源器件中的至少一个使谐振电路与有源器件解耦。在谐振电路与该一个或更多个有源器件之间的耦合比被设定以使得谐振电路的振荡振幅的最大值仅基于该一个或更多个无源器件的击穿来限定。
根据本发明原理的又一方面，本发明提供了一种基于谐振回路的振荡器。该振荡器包括谐振电路。该振荡器还至少包括第一和第二电容器。该振荡器还包括第一和第二有源器件。第一和第二有源器件每个都是N沟道金属氧化物场效应晶体管或双极结晶体管，并且至少具有漏极或集电极和栅极或基极。第一有源器件的栅极或基极与第一电容器的一侧以及第二有源器件的漏极或集电极连接。第二有源器件的栅极或基极与第二电容器的一侧以及第一有源器件的漏极或集电极连接。谐振电路被连接于第一电容器的另一侧与第二电容器的另一侧之间以使谐振电路与第一和第二有源器件解耦。
根据本发明原理的再一方面，本发明提供了一种基于谐振回路的振荡器。该振荡器包括谐振电路。该振荡器还至少包括第一、第二、第三和第四电容器。该振荡器还包括第一和第二有源器件。第一和第二有源器件每个都是N沟道金属氧化物场效应晶体管或双极结晶体管，并且至少具有漏极或集电极和栅极或基极。第一有源器件的栅极或基极与第一电容器的一侧及第三电容器的一侧连接。第二有源器件的栅极或基极与第二电容器的一侧及第四电容器的一侧连接。第一电容器的另一侧与第二有源器件的漏极或集电极连接。第二电容器的另一侧与第一有源器件的漏极或集电极连接。谐振电路被连接于第三电容器的另一侧与第四电容器的另一侧之间以使谐振电路与第一和第二有源器件解耦。
根据本发明原理的另一方面，本发明提供了一种基于谐振回路的振荡器。该振荡器包括谐振电路。该振荡器还至少包括第一、第二、第三、第四电容器和第五电容器。该振荡器还包括第一和第二有源器件。第一和第二有源器件每个都是N沟道金属氧化物场效应晶体管或双极结晶体管，并且至少具有漏极或集电极和栅极或基极。第一有源器件的栅极或基极与第一电容器的一侧及第五电容器的一侧连接。第二有源器件的栅极或基极与第二电容器的一侧及第五电容器的另一侧连接。第一电容器的另一侧与第二有源器件的漏极或集电极及第四电容器的一侧连接。第二电容器的另一侧与第一有源器件的漏极或集电极及第三电容器的一侧连接。谐振电路被连接于第三电容器的另一侧与第四电容器的另一侧之间以使谐振电路与第一和第二有源器件解耦。
根据下面关于其说明性实施例的详细描述，这些及其他特征和优点将变得明了，该详细描述应当结合附图来阅读。
附图说明
本公开内容将在下面关于优选实施例的描述中参照下列图形来给出细节，在这些图形中：
图1示出了根据本发明原理的一个实施例的基于LC谐振回路的振荡器拓扑100；
图2示出了根据本发明原理的一个实施例的用于拓扑100的等效半电路200；
图3示出了根据本发明原理的一个实施例的用于涉及拓扑100的稳态振荡振幅（Atank）、栅极-电压振幅（Agate）及Gm随周期的变化的模拟的图表300；
图4示出了根据本发明原理的一个实施例的另一个基于LC谐振回路的振荡器拓扑400；
图5示出了根据本发明原理的一个实施例的用于拓扑400的等效半电路500；
图6示出了根据本发明原理的一个实施例的又一个基于LC谐振回路的振荡器拓扑600；
图7示出了根据本发明原理的一个实施例的用于拓扑600的等效半电路700；
图8示出了根据本发明原理的一个实施例的再一个基于LC谐振回路的振荡器拓扑800；
图9示出了根据本发明原理的一个实施例的用于拓扑800的等效半电路900；
图10示出了根据本发明原理的一个实施例的还有另一个基于LC谐振回路的振荡器拓扑1000；
图11示出了根据本发明原理的一个实施例的用于拓扑1000的等效半电路1100；以及
图12是根据本发明原理的一个实施例的用于解耦基于LC谐振回路的振荡器的方法1200。
具体实施方式
本发明原理针对用于低相位噪声和高振荡振幅的应用的基于全解耦电感器-电容器（LC）谐振回路的振荡器拓扑。
根据本发明原理的一个实施例，我们提出一种用于操作振荡器的方式，使得振荡的振幅不受有源器件的击穿电压所限制。相反地，LC谐振回路与有源器件解耦，并且在LC谐振回路与有源器件之间的耦合比被设定使得振荡振幅能够达到仅由无源构件的击穿所确定的最大值。例如，我们设想出振荡器使用具有1V的击穿电压的有源器件来安全地获得40V的峰-峰差分振幅的情形。
根据本发明原理的一个实施例，我们使振荡器内的有源器件受全振幅的一小部分的影响。这能够以电容分压器、变压器或类似的无源解耦器件来实现。所提出的方法的另一好处是降低的由有源器件注入谐振回路内的噪声量。整体相位噪声然后由提高的振幅和相对较低的噪声注入两者来降低。
我们检查了各种电路拓扑，其能够实现通过提高的振荡振幅和降低的到谐振回路内的有源器件噪声的注入的一般技术来降低相位噪声的目标。我们将讨论并且根据它们实现下列目标的程度对拓扑进行分类，所有目标都有利于实现低的相位噪声：（1）在振荡器的LC谐振回路内的提高的振荡振幅；（2）降低的到LC谐振回路内的有源器件噪声的注入；（3）提高的谐振回路Q（或者减少的由有源器件和偏置电路负载所致的谐振回路Q的降低）；（4）用于控制振荡振幅和器件操作的区域的器件的漏极和栅极（或者集电极和基极）的独立偏置；以及降低的波形畸变。上述（1）-（4）的好处是直接从Leeson公式得出的。
图1示出了根据本发明原理的一个实施例的基于LC谐振回路的振荡器拓扑100。基于LC谐振回路的振荡器拓扑100包括电感器111、电感器112、电容器Cd 121、电容器Cd 122、电容器Ct 123、电容器Ct124、有源器件131、有源器件132、LC谐振回路140和电流源150。
有源器件131的栅极（或基极）与电容器Ct 124的一侧、有源器件132的漏极（或集电极）、电容器Cd 121的一侧及电感器111的一侧连接。有源器件132的栅极（或基极）与电容器Ct 123的一侧、有源器件131的漏极（或集电极）、电容器Cd 122的一侧及电感器112的一侧连接。电容器Cd 121的另一侧与电容器Cd 122的另一侧连接。电感器111的另一侧与电感器112的另一侧及电压VDD连接。LC谐振电路140被连接于电容器Ct 124的另一侧与电容器Ct 123的另一侧之间以使LC谐振电路140与有源器件131和132解耦。有源器件131和132的源极（或发射极）彼此连接并且与电流源150连接。
在图1的实例中，有源器件131和132是（n沟道）MOSFET。但是，鉴于在此所提供的本发明原理的教导，应当意识到，本领域的技术人员能够容易地实现关于其他类型的有源器件的图1的拓扑100，同时保留本发明原理的精神。而且，可以使用同一类型的器件，例如，MOSFET，但是使用p沟道版本的。鉴于在此所提供的本发明原理的教导，拓扑100的电路元件的这些及其他变化可由本领域的技术人员容易地确定和实现。在拓扑100中，LC谐振回路140被移至在器件131和132的栅极之间的位置，由电容器Ct所隔离。
图2示出了根据本发明原理的一个实施例的拓扑100的等效半电路200。半电路200包括电感器211、电容器221、电阻器Rt 291、电容器Ct 124、电容器Cd 121、有源器件131及逆变器件281。电感器211、电容器221及电阻器Rt 291与LC谐振回路140相关。特别地，电感器211代表LC谐振回路140的电感分量，电容器221代表LC谐振回路140的电容分量，以及Rt 291代表LC谐振回路140的损耗。虽然来自拓扑100的一半的元件被用于半电路200，但是保持与其对应的图形参考数字，本领域的技术人员将会容易地意识到，相同元件的值在全电路拓扑100与半电路200之间将是不同的，但鉴于在此所提供的本发明原理的教导，仍然可由本领域的技术人员容易地确定。稳态根据以下公式来确定： G m . V g . R t n = V t = k . V g ⇒ G m n . k = 1 R t .
能够看出，谐振回路的振荡振幅按照比例Cd/（Cd+Ct）=1/k划分到有源器件131和132的栅极之上。谐振回路与有源器件131和132解耦，并且电容分压器在没有于器件栅极处击穿的可能的情况下允许更高的振荡振幅。拓扑（topography）100的另一好处在于漏极电流噪声并不全部流过谐振回路140。相反地，漏极电流噪声的一部分流过Ct和Rt的串联组合，以及一部分流过Cd。如果我们定义1/n为漏极电流噪声中流入谐振回路之内的部分，则n≈(ZCd+ZCt+Rt)/ZCd=(Ct+Cd+Rt.sCd.Ct)/Ct。
在图1内由电容器Ct和Cd形成的电容分压器会降低谐振回路140上的有源器件负载，因此谐振回路140的Q被降低到小于交叉耦接的振荡器的情形中的Q，并且有更少的波形畸变。
图3示出了根据本发明原理的一个实施例的用于涉及拓扑100的稳态振荡振幅（Atank）、栅极-电压振幅（Agate）及Gm随周期的变化的模拟的图表300。x轴代表在晶体管栅极或谐振回路上的振幅变动（如果适用），以及y轴代表大信号跨导。在图3的实例中，k=1.1，以及n=1.2。
图4示出了根据本发明原理的一个实施例的另一个基于LC谐振回路的振荡器拓扑400。基于LC谐振回路的振荡器拓扑400包括电感器411、电感器412、电容器Cd 421、电容器Cd 422、电容器Ct 423、电容器Ct 424、电容器Cc 425、电容器Cc 426、有源器件431、有源器件432、LC谐振回路440及电流源450。
有源器件431的栅极（或基极）与电容器Cc 426的一侧及电容器Ct 423的一侧连接。有源器件432的栅极（或基极）与电容器Cc 425的一侧及电容器Ct 424的一侧连接。电容器Cc 426的另一侧与有源器件432的漏极（或集电极）、电容器Cd 422的一侧及电感器412的一侧连接。电容器Cc 425的另一侧与有源器件431的漏极（或集电极）、电容器Cd 421的一侧及电感器411的一侧连接。电容器Cd 421的另一侧与电容器Cd 422的另一侧连接。电感器411的另一侧与电感器412的另一侧及电压VDD连接。LC谐振电路440被连接于电容器Ct 423的另一侧与电容器Ct 424的另一侧之间以使LC谐振电路440与有源器件431和432解耦。有源器件431和432的源极（或发射极）彼此连接并且与电流源450连接。
在图4的实例中，有源器件431和432是（n沟道）MOSFET。但是，鉴于在此所提供的本发明原理的教导，应当意识到，本领域的技术人员能够容易地实现关于其他类型的有源器件的图4的拓扑400，同时保留本发明原理的精神。而且，可以使用同一类型的器件，例如，MOSFET，但是使用p沟道版本。鉴于在此所提供的本发明原理的教导，本领域的技术人员可容易地确定并实现拓扑400的电路元件的这些及其他变化。拓扑400使LC谐振回路440与有源器件端子解耦，从而提供用于在栅极（或基极）和漏极（或集电极）两者处将振荡振幅提高至器件击穿极限之上的方式，同时还在栅极和漏极两者处降低器件非线性的效果。
图5示出了根据本发明原理的一个实施例的拓扑400的等效半电路500。半电路500包括电感器511、电容器521、电阻器Rt 591、电容器Cc 425、电容器Cd 421、电容器Ct 424、有源器件431及逆变器件481。电感器511、电容器521和电阻器Rt 591与LC谐振回路440相关。特别地，电感器511代表LC谐振回路440的电感分量，电容器521代表LC谐振回路440的电容分量，以及Rt 591代表LC谐振回路440的损耗。虽然来自拓扑400的一半的元件被用于半电路500，从而保持与其对应的图形参考数字，但是本领域的技术人员应当容易意识到，相同元件的值在全电路拓扑400与半电路500之间将是不同的，但是鉴于在此所提供的本发明原理的教导仍然可由本领域的技术人员容易地确定。再次，1/n代表漏极电流噪声中流入谐振回路之内的部分，以及1/k代表谐振回路对器件栅极的分压比，其中n≈(ZCc+ZCt+Rt+ZCd)/ZCd=(CtCd+CdCc+sRtCdCcCt+CtCc)/CtCc，以及k≈(Ct+Ck)/Ct，其中Ck=CcCd/(Cc+Cd)。稳态根据以下公式来确定：
Figure BDA00001740026800081
拓扑400使用两种不同的技术来提供振荡振幅的增加。电容器反馈确保了，即使固有的器件跨导的非线性限制了在栅极/基极上的振荡振幅，在谐振回路440上的振幅也比该限制大k倍。另外，器件的非线性被降低，这即使是在给定量的所注入的有源器件噪声的栅极/基极上也增大了振荡的振幅。而且，通过使谐振回路440与有源器件431和432完全解耦，振荡振幅并没有受这些器件431和432的击穿限制。
总而言之，拓扑400的优点为如下：（1）振荡的振幅被提高了谐振回路对栅极（基极）的反馈比k；（2）振幅还由于来自较低的漏极电压变动的Gm线性化而从Agate提高到Atank，如图3所示；（3）谐振回路与有源器件完全解耦，并且因此能够支持更大的电压变动；（4）只有有源器件噪声的一部分被注入谐振回路之内；（5）只有来自偏置电路的噪声的一部分流入谐振回路之内；以及（6）谐振回路Q没有由于MOSFET进入操作的三极管区、导致较低的畸变、以及提高相位噪声而降低。与MOSFET版本相比，在该拓扑400的全BJT版本中，优点（2）和（6）较不占优势的。
图6示出了根据本发明原理的一个实施例的又一个基于LC谐振回路的振荡器拓扑600。基于LC谐振回路的振荡器拓扑600包括电感器611、电感器612、电容器Ct 623、电容器Ct 624、电容器Cc 625、电容器Cc 626、电容器Cg 627、有源器件631、有源器件632、LC谐振回路640及电流源650。
有源器件631的栅极（或基极）与电容器Cc 626的一侧及电容器Cg 627的一侧连接。有源器件632的栅极（或基极）与电容器Cc 625的一侧及电容器Cg 627的另一侧连接。电容器Cc 626的另一侧与有源器件631的漏极（或集电极）、电容器Ct 624的一侧及电感器612的一侧连接。电容器Cc 625的另一侧与有源器件631的漏极（或集电极）、电容器Ct 623的一侧及电感器611的一侧连接。电感器611的另一侧与电感器612的另一侧及电压VDD连接。LC谐振电路640被连接于电容器Ct 623的另一侧与电容器Ct 624的另一侧之间以使LC谐振电路640与有源器件631和632解耦。有源器件631和632的源极（或发射极）彼此连接并且与电流源650连接。
在图6的实例中，有源器件631和632是（n沟道）MOSFET。但是，鉴于在此所提供的本发明原理的教导，应当意识到，本领域的技术人员能够容易地实现关于其他类型的有源器件的图6的拓扑600，同时保留本发明原理的精神。而且，可以使用同一类型的器件，例如，MOSFET，但是使用p沟道版本。鉴于在此所提供的本发明原理的教导，拓扑600的电路元件的这些及其他变化可由本领域的技术人员容易地确定并实现。拓扑600将LC谐振回路640移至器件的漏极之间的位置，由电容器Ct所隔离。
图7示出了根据本发明原理的一个实施例的拓扑600的等效半电路700。半电路700包括电感器711、电容器721、电阻器Rt 791、电容器Cc 625、电容器2*Cg 627、电容器Ct 623、有源器件731及逆变器件781。电感器711、电容器721及电阻器Rt 791与LC谐振回路640相关。特别地，电感器711代表LC谐振回路640的电感分量，电容器721代表LC谐振回路640的电容分量，以及Rt 791代表LC谐振回路640的损耗。虽然来自拓扑600的一半的元件被用于半电路700，从而保持与其对应的图形参考数字，但是本领域的技术人员应当容易地意识到，相同元件的值在全电路拓扑600与半电路700之间将是不同的，但是鉴于在此所提供的本发明原理的教导仍然可由本领域的技术人员容易地确定。通过与半电路500比较，半电路700清楚地表明，谐振回路640对器件栅极的分压比与谐振回路440相比得到了提高。
也就是说，在器件栅极上的那部分谐振回路电压是较低的（低1/k），其中k≈(Cl+Cd)/Cl，其中Cl=CcCt/(Cc+Ct)。相反地，在器件漏极上的那部分谐振回路电压与图5中的相比是更高的，并且作为(Ct+Ck)/Ct来给出，其中Ck=CcCd/(Cc+Cd)。因而，拓扑600提供了比拓扑400更大的Gm线性化，因为漏极上的变动相对较低的，导致较低的非线性。但是，与拓扑400相比，拓扑600的栅极反馈比是相对较大的，因此由于该反馈比而增大谐振回路上的振幅。因此，这两个拓扑600和400提供用于在取决于器件特性的用于振幅增加的两种技术与对特定设计的要求之间的权衡的方式。
例如，在实际的实现方式中，由于MOSFET的非线性是与漏极电压变动高度相关的，因而其电压变动较低的拓扑400适用于MOSFET实现方式。另一方面，考虑到同一拓扑400的BJT版本，集电极的电压变动对BJT的非线性的影响没有像高度非线性的基极电压节点上的变动那样显著。因此，来自拓扑600内的大的谐振回路-栅极反馈（k）比的振幅增加使得拓扑600特别适用于BJT版本。
图8示出了根据本发明原理的一个实施例的再一个基于LC谐振回路的振荡器拓扑800。基于LC谐振回路的振荡器拓扑800包括电感器811、电感器812、电容器Cd 821、电容器Cd 822、电容器Ct 823、电容器Ct 824、电容器Cc 825、电容器Cc 826、电容器Cg 827、有源器件831、有源器件832、LC谐振回路840及电流源850。
有源器件831的栅极（或基极）与电容器Ct 823的一侧及电容器Cg 827的一侧连接。有源器件832的栅极（或基极）与电容器Ct 824的一侧及电容器Cg 827的另一侧连接。电容器Cc 825的一侧与有源器件831的漏极（或集电极）、电容器821 Cd的一侧及电感器811的一侧连接。电容器Cc 826的一侧与有源器件832的漏极（或集电极）、电容器Cd 822的一侧及电感器812的一侧连接。电感器811的另一侧与电感器812的另一侧及电压VDD连接。电容器Ct 823的另一侧与电容器Cc 826的另一侧及LC谐振电路840的一侧连接。电容器Ct 824的另一侧与电容器Cc 825的另一侧及LC谐振电路840的另一侧连接以使LC谐振电路840与有源器件831和832解耦。有源器件831和832的源极（或发射极）彼此连接并且与电流源850连接。
为了示例起见，有源器件831和832被示出为双极晶体管。但是，应当意识到，拓扑800能够容易地使用MOSFET来代替该晶体管，同时保留本发明原理的精神。鉴于在此所提供的本发明原理的教导，拓扑800的电路元件的这些及其他变化可由本领域的技术人员容易地确定并实现。
图9示出了根据本发明原理的一个实施例的拓扑800的等效半电路900。半电路900包括电感器911、电容器921、电阻器Rt 991、电容器Cc 825、电容器Cd 821、电容器Ct 824、电容器2*Cg 827、有源器件831及逆变器件981。电感器911、电容器921及电阻器Rt 991与LC谐振回路840相关。特别地，电感器911代表LC谐振回路840的电感分量，电容器921代表LC谐振回路840的电容分量，以及Rt 991代表LC谐振回路840的损耗。虽然来自拓扑800的一半的元件被用于半电路900，保持与其对应的图形参考数字，但是本领域的技术人员应当容易地意识到，相同元件的值在全电路拓扑800与半电路900之间将是不同的，但是鉴于在此所提供的本发明原理的教导可由本领域的技术人员容易地确定。
拓扑800拥有与上述拓扑400相同的优点。另外，该拓扑800还提供了变量选择的额外的自由度，并且因此为该设计提供对性能规格更多的控制。也就是说，与拓扑400相比，拓扑800添加了附加的电容器（比较图9和图5），现在这提供了选择总的电容负载、偏置调谐及反馈比的自由（也就是说，有4种电容器和4种规格）。这在其中由于在基极-发射极电路中较高的器件跨导和较大的非线性而需要较小的基极电压变动的双极实现方式中是特别有用的。
图10示出了根据本发明原理的一个实施例的又一个基于LC谐振回路的振荡器拓扑1000。基于LC谐振回路的振荡器拓扑1000包括电感器1011、电感器1012、电容器Cd 1021、电容器Cd 1022、电容器Ct1023、电容器Ct 1024、电容器Cc 1025、电容器Cc 1026、电容器Cg1027、有源器件1031、有源器件1032、LC谐振回路1040及电流源1050。
有源器件1031的栅极（或基极）与电容器Cc 1026的一侧、电容器Ct 1023的一侧及电容器Cg 1027的一侧连接。有源器件1032的栅极（或基极）与电容器Cc 1025的一侧、电容器Ct 1024的一侧及电容器Cg 1027的另一侧连接。电容器Cc 1026的另一侧与有源器件1032的漏极（或集电极）、电容器Cd 1022的一侧及电感器1012的一侧连接。电容器Cc 1025的另一侧与有源器件1031的漏极（或集电极）、电容器Cd1021的一侧及电感器1011的一侧连接。电感器1011的另一侧与电感器1012的另一侧及电压VDD连接。LC谐振电路1040被连接于电容器Ct1023的另一侧与电容器Ct 1024的另一侧之间以使LC谐振电路1040与有源器件1031和1032解耦。有源器件1031和1032的源极（或发射极）彼此连接并且与电流源1050连接。
在图10的实例中，有源器件1031和1032是（n沟道）MOSFET。但是，鉴于在此所提供的本发明原理的教导，应当意识到，本领域的技术人员能够容易地实现关于其他类型的有源器件的图10的拓扑1000，同时保留本发明原理的精神。而且，可以使用同一类型的器件，例如，MOSFET，但是使用p沟道版本。鉴于在此所提供的本发明原理的教导，拓扑1000的电路元件的这些及其他变化可由本领域的技术人员容易地确定并实现。
图11示出了根据本发明原理的一个实施例的拓扑1000的等效半电路1100。半电路1100包括电感器1111、电容器1121、电阻器Rt 1191、电容器Cc 1025、电容器Cd 1021、电容器Ct 1024、电容器2*Cg 1027、有源器件1031及逆变器件1181。电感器1111、电容器1121及电阻器Rt 1191与LC谐振回路1040相关。特别地，电感器1111代表LC谐振回路1040的电感分量，电容器1121代表LC谐振回路1040的电容分量，以及Rt 1191代表LC谐振回路1040的损耗。虽然来自拓扑1000的一半的元件被用于半电路1100，保持与其对应的图形参考数字，但是本领域的技术人员应当容易地意识到，相同元件的值在全电路拓扑1000与半电路1100之间将是不同的，但是鉴于在此所提供的本发明原理的教导仍然可由本领域的技术人员容易地确定。
参照等效半电路1100，能够看出，拓扑1000同样具有4个电容器，并从而在选择总的电容负载、偏置调谐及反馈比方面给予了全面的灵活性。实际上，拓扑800和拓扑1000在一个电路能够于仅有电容器Cc、Cd、Ct和Cg的值变化的情况下转变为另一个电路的意义上是等效的。哪个电路是优选的，这将取决于哪个电路对给定的应用给出了更方便的且更容易实现的电容器值。
在到此为止所讨论的全部等效半电路（即，图2、5、7、9和11）中，已经将在Vdd与器件漏极之间的偏置电感假定为很高的阻抗并且已省去它们以简化分析。但是，具体的模拟指出，在漏极电路中的谐振频率是重要的，影响到振荡振幅和相位噪声。振荡频率主要由LC谐振回路的谐振频率来确定，但是如果漏极电路的谐振频率能够被调谐至刚好在振荡频率之下的频率，则振荡振幅是最高的并且相位噪声是最低的。漏极电路的最佳谐振频率经实验观察为振荡频率的大约70-90%。由于该原因，有利的是作出协同地调谐LC谐振回路的谐振频率和漏极电路的谐振频率两者的规定。
表1示出了根据本发明原理的一个实施例的拓扑及其对应优点的总结。也就是说，表1总结了先前所讨论的不同的压控振荡器（VCO）拓扑并且比较了它们的优点（和缺点）。所比较的四个方面包括振荡的振幅（A）、注入谐振回路内的噪声（N）、由跨导影响所致的谐振回路的有载品质因数（Q）以及由有载谐振回路的变化电阻所致的波形畸变（D）。这些方面对VCO的相位噪声性能具有直接影响。在括号内提到了用于对不同的VCO来提高/改变这些参数的机制。有关拓扑的附加评述同样在“评述”栏中进行了强调。能够从表1中看出，与现有技术的交叉耦接的拓扑相比，我们所提出的体系结构改进VCO的这些方面（A、N、Q和D）。结果，新的拓扑提供用于实现低相位噪声性能的不同机制。表1还提供了在这些拓扑之间的权衡的直觉。特定拓扑的选择能够由对该设计的具体要求来确定。
表1
Figure BDA00001740026800141
Figure BDA00001740026800151
图12是根据本发明原理的一个实施例的用于解耦基于LC谐振回路的振荡器的方法1200。解耦对于低相位噪声和高振荡振幅的应用是特别有利的。
在步骤1210，提供基于LC谐振回路的振荡器，该振荡器具有一个或更多个有源器件、一个或更多个无源器件和LC谐振电路。在步骤1220，使用该一个或更多个无源器件中的至少一个来使LC谐振电路与有源器件解耦。关于步骤1220，在LC谐振电路与该一个或更多个有源器件之间的耦合比被设定以使得LC谐振电路的振荡振幅的最大值仅基于该一个或更多个无源器件的击穿来限定。
本领域技术人员应当意识到，本发明的各方面可以被实现为系统、方法或计算机程序产品。因此，本发明的各方面可以采用以下形式：完全硬件的实施例、完全软件的实施例（包括固件、常驻软件、微代码等）或者结合了通常可以全部称为“电路”、“模块”或“系统”的软件和硬件方面的实施例。而且，本发明的各方面可以采用在具有实现于其上的计算机可读的程序代码的一个或更多个计算机可读的介质内实现的计算机程序产品的形式。
一个或更多个计算机可读的介质的任意组合都可以使用。计算机可读的介质可以是计算机可读的信号介质或计算机可读的存储介质。计算机可读的存储介质可以是，例如，但不限于，电子的、磁的、光的、电磁的、红外线的或半导体的系统、装置或器件，或者上述项的任意适合的组合。计算机可读的存储介质的更具体的实例（非穷尽的列表）包括以下各项：具有一条或更多条导线的电连接、便携式计算机软盘、硬盘、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM），可擦可编程只读存储器（EPROM或闪存）、光纤、便携式压缩盘只读存储器（CD-ROM）、光存储器件、磁存储器件或者上述项的任意适合的组合。在本文献中，计算机可读的存储介质可以是能够含有或存储由指令执行系统、装置或器件使用的或者结合其使用的程序的任意有形介质。
计算机可读的信号介质可以包括计算机可读的程序代码被实现于其内的所传播的数据信号，例如，在基带中或者作为载波的一部分。该传播信号可以采用任意各种形式，包括，但不限于，电磁的、光的或者它们的任意适合的组合。计算机可读的信号介质可以是任何计算机可读的介质，该计算机可读的介质不是计算机可读的存储介质并且能够通信，传播或传输由指令执行系统、装置或器件使用的或者结合其使用的程序。
实现于计算机可读的介质上的程序代码可以使用任意适合的介质来传输，包括但不限于无线、有线、光缆、RF等或者上述项的任意适合的组合。
用于执行本发明的各个方面的操作的计算机程序代码可以用一种或多种编程语言的任意组合来编写，包括面向对象的编程语言（例如，Java、Smalltalk、C++等）以及常规的过程编程语言（例如，“C”编程语言或类似的编程语言）。程序代码可以完全在用户的计算机上、部分在用户的计算机上、作为独立式软件包、部分在用户的计算机上和部分在远程计算机上或者完全在远程计算机或服务器上执行。在后一种情形中，远程计算机可以通过任何类型的网络与用户的计算机连接，包括局域网（LAN）或广域网（WAN），或者可以与外部的计算机进行该连接（例如，通过使用互联网服务提供商的互联网）。
本发明的各方面在下面参照根据本发明的实施例的方法、装置（系统）及计算机程序产品的流程图和/或框图来描述。应当理解，流程图和/或框图的每个块，以及流程图和/或框图中的块的组合，能够以计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可以被提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程的数据处理装置的处理器以生产机器，使得经由计算机或其他可编程的数据处理装置的处理器来执行的指令产生用于实现在流程图和/或框图的一个或更多个块中所指定的功能/动作的方法。
这些计算机程序指令同样可以存储于计算机可读的介质内，该程序指令能够引导计算机、其他可编程的数据处理装置或者其他器件以特定的方式来起作用，使得存储于计算机可读的介质内的指令生产包含用于实现在流程图和/或框图的一个或更多个块内指定的功能/动作的指令的制造品。
计算机程序指令同样可以被装载到计算机、其他可编程的数据处理装置其他器件之上以促使一系列的操作步骤在计算机、其他可编程的装置或其他器件上执行，从而产生计算机实现的过程，使得在计算机或其他可编程的装置上执行的指令提供用于实现在流程图和/或框图的一个或更多个块中指定的功能/动作的过程。
在附图中的流程图和框图示出了根据本发明的各个实施例的系统、方法及计算机程序产品的可能的实现方式的体系结构、功能及操作。在这点上，在流程图或框图中的每个块都可以代表包含用于实现所指定的逻辑功能的一条或多条可执行指令的代码模块、代码段或部分代码。还应当指出，在某些可替代的实现方式中，在块中所指出的功能可以按照与附图中所指出的顺序不同的顺序出现。例如，顺序示出的两个块实际上可以基本上同时执行，或者多个块有时可以按照相反的顺序来执行，取决于所涉及的功能。还应当指出，框图和/或流程图的每个块，以及在框图和/或流程图中的块的组合，能够由用于执行所指定的功能或动作的基于专用硬件的系统或者专用硬件和计算机指令的组合来实现。
本发明原理的“一个实施例”或“实施例”，以及它的其他变体在本说明书中的引用，意味着结合该实施例所描述的特定的特征、结构、特性等包含于本发明原理的至少一个实施例中。因而，短语“在一个实施例中”或者“在实施例中”，以及任意其他变体在整篇说明书中的各个地方的出现并不一定全部引用同一实施例。
应当意识到，“/”、“和/或”以及“其中至少一个”中的任一项的使用，例如，在“A/B”、“A和/或B”以及“A和B中的至少一个”的情形中，意指包含只选择第一列示选项（A），或者只选择第二列示选项（B），或者两个选项（A和B）都选择。再如，在“A、B和/或C”以及“A、B和C中的至少一个”的情形中，此类用语意指包含只选择第一列示选项（A），或者只选择第二列示选项（B），或者只选择第三列示选项（C），或者只选择第一和第二列示选项（A和B），或者只选择第一和第三列示选项（A和C），或者只选择第二和第三列示选项（B和C），或者全部三个选项（A和B和C）都选择。这可以扩展至本领域技术人员所容易清楚的众多列出的项目。
在描述了系统和方法的优选实施例（该实施例规定是说明性的而非限制性的）的情况下，应当指出，本领域技术人员能够根据上述教导来进行修改和变化。因此，应当理解，可以在所公开的特定实施例中进行属于所附权利要求所概述的本发明的范围之内的改变。因而，在描述了本发明的各个方面的情况下，以专利法所要求的细节和特殊性，受专利特许证保护的所要求权利的和所期望的内容在所附权利要求书中阐明。

Claims (25)

1.一种基于谐振回路的振荡器，包括：
一个或更多个有源器件；
一个或更多个无源器件；以及
使用所述一个或更多个无源器件中的至少一个来与所述有源器件解耦的谐振电路，
其中在所述谐振电路与所述一个或更多个有源器件之间的耦合比被设定以使所述谐振电路的振荡振幅的最大值仅基于所述一个或更多个无源器件的击穿来限定。
2.根据权利要求1所述的基于谐振回路的振荡器，其中所述一个或更多个有源器件仅受所述振荡振幅的所述最大值的一部分的影响。
3.根据权利要求1所述的基于谐振回路的振荡器，其中所述振荡振幅的所述最大值基于所述一个或更多个无源器件中的至少一个的击穿电压和击穿电流中的至少一个来确定。
4.根据权利要求1所述的基于谐振回路的振荡器，其中所述一个或更多个无源器件包括无源解耦器件。
5.根据权利要求1所述的基于谐振回路的振荡器，其中所述一个或更多个有源器件包括一个或更多个MOSFET或者一个或更多个双极结晶体管。
6.根据权利要求5所述的基于谐振回路的振荡器，其中所述一个或更多个MOSFET的漏极和栅极被独立地偏置以控制所述谐振电路的所述振荡振幅。
7.根据权利要求5所述的基于谐振回路的振荡器，其中所述一个或更多个双极结晶体管的集电极和基极被独立地偏置以控制所述谐振电路的所述振荡振幅。
8.根据权利要求1所述的基于谐振回路的振荡器，其中所述一个或更多个无源器件至少包括第一和第二电容器，所述一个或更多个有源器件是构成第一和第二有源器件的N沟道金属氧化物场效应晶体管或双极结晶体管，所述第一和第二有源器件中的每个有源器件都至少具有漏极或集电极和栅极或基极，并且其中所述第一有源器件的所述栅极或基极与所述第一电容器的一侧及所述第二有源器件的所述漏极或集电极连接，所述第二有源器件的所述栅极或基极与所述第二电容器的一侧及所述第一有源器件的所述漏极或集电极连接，以及所述谐振电路被连接于所述第一电容器的另一侧与所述第二电容器的另一侧之间以使所述谐振电路与所述第一和第二有源器件解耦。
9.根据权利要求1所述的基于谐振回路的振荡器，其中所述一个或更多个无源器件至少包括第一、第二、第三及第四电容器，所述一个或更多个有源器件是构成第一和第二有源器件的N沟道金属氧化物场效应晶体管或双极结晶体管，所述第一和第二有源器件中的每个有源器件都至少具有漏极或集电极和栅极或基极，并且其中所述第一有源器件的所述栅极或基极与所述第一电容器的一侧及所述第三电容器的一侧连接，所述第二有源器件的所述栅极或基极与所述第二电容器的一侧及所述第四电容器的一侧连接，所述第一电容器的另一侧与所述第二有源器件的所述漏极或集电极连接，所述第二电容器的另一侧与所述第一有源器件的所述漏极或集电极连接，以及所述谐振电路被连接于所述第三电容器的另一侧与所述第四电容器的另一侧之间以使所述谐振电路与所述第一和第二有源器件解耦。
10.根据权利要求1所述的基于谐振回路的振荡器，其中所述一个或更多个无源器件至少包括第一、第二、第三、第四电容器及第五电容器，所述一个或更多个有源器件是构成第一和第二有源器件的N沟道金属氧化物场效应晶体管或双极结晶体管，所述第一和第二有源器件中的每个有源器件都至少具有漏极或集电极和栅极或基极，并且其中所述第一有源器件的所述栅极或基极与所述第一电容器的一侧及所述第五电容器的一侧连接，所述第二有源器件的所述栅极或基极与所述第二电容器的一侧及所述第五电容器的另一侧连接，所述第一电容器的另一侧与所述第二有源器件的所述漏极或集电极及所述第四电容器的一侧连接，所述第二电容器的另一侧与所述第一有源器件的所述漏极或集电极及所述第三电容器的一侧连接，以及所述谐振电路被连接于所述第三电容器的另一侧与所述第四电容器的另一侧之间以使所述谐振电路与所述第一及第二有源器件解耦。
11.根据权利要求1所述的基于谐振回路的振荡器，其中所述一个或更多个无源器件至少包括第一、第二、第三、第四电容器及第五电容器，所述一个或更多个有源器件是构成第一和第二有源器件的N沟道金属氧化物场效应晶体管或双极结晶体管，所述第一和第二有源器件中的每个有源器件至少具有漏极或集电极和栅极或基极，并且其中所述第一有源器件的所述栅极或基极与所述第一电容器的一侧及所述第五电容器的一侧连接，所述第二有源器件的所述栅极或基极与所述第二电容器的一侧及所述第五电容器的另一侧连接，所述第四电容器的一侧与所述第一有源器件的所述漏极或集电极连接，所述第三电容器的一侧与所述第二有源器件的所述漏极或集电极连接，所述第一电容器的另一侧与所述第三电容器的另一侧及所述谐振电路的一侧连接，所述第二电容器的另一侧与所述第四电容器的另一侧及所述谐振电路的另一侧连接以使所述谐振电路与所述第一及第二有源器件解耦。
12.根据权利要求1所述的基于谐振回路的振荡器，其中所述一个或更多个无源器件至少包括第一、第二、第三、第四电容器及第五电容器，所述一个或更多个有源器件是构成第一和第二有源器件的N沟道金属氧化物场效应晶体管或双极结晶体管，所述第一和第二有源器件中的每个有源器件都至少具有漏极或集电极和栅极或基极，并且其中所述第一有源器件的所述栅极或基极与所述第一电容器的一侧、所述第三电容器的一侧及所述第五电容器的一侧连接，所述第二有源器件的所述栅极或基极与所述第二电容器的一侧、所述第四电容器的一侧及所述第五电容器的另一侧连接，所述第一电容器的另一侧与所述第二有源器件的所述漏极或集电极连接，所述第二电容器的另一侧与所述第一有源器件的所述漏极或集电极连接，以及所述谐振电路被连接于所述第三电容器的另一侧与所述第四电容器的另一侧之间以使所述谐振电路与所述第一及第二有源器件解耦。
13.根据权利要求1所述的基于谐振回路的振荡器，其中所述一个或更多个无源器件至少包括第一和第二电容器，所述一个或更多个有源器件是构成第一和第二有源器件的P沟道金属氧化物场效应晶体管或双极结晶体管，所述第一和第二有源器件中的每个有源器件都至少具有源极或发射极和栅极或基极，并且其中所述第一有源器件的所述栅极或基极与所述第一电容器的一侧及所述第二有源器件的所述源极或发射极连接，所述第二有源器件的所述栅极或基极与所述第二电容器的一侧及所述第一有源器件的所述源极或发射极连接，以及所述谐振电路被连接于所述第一电容器的另一侧与所述第二电容器的另一侧之间以使所述谐振电路与所述第一及第二有源器件解耦。
14.根据权利要求1所述的基于谐振回路的振荡器，其中所述一个或更多个无源器件至少包括第一、第二、第三及第四电容器，所述一个或更多个有源器件是构成第一和第二有源器件的P沟道金属氧化物场效应晶体管或双极结晶体管，所述第一和第二有源器件中的每个有源器件都至少具有源极或发射极和栅极或基极，并且其中所述第一有源器件的所述栅极或基极与所述第一电容器的一侧及所述第三电容器的一侧连接，所述第二有源器件的所述栅极或基极与所述第二电容器的一侧及所述第四电容器的一侧连接，所述第一电容器的另一侧与所述第二有源器件的所述源极或发射极连接，所述第二电容器的另一侧与所述第一有源器件的所述源极或发射极连接，以及所述谐振电路被连接于所述第三电容器的另一侧与所述第四电容器的另一侧之间以使所述谐振电路与所述第一和第二有源器件解耦。
15.根据权利要求1所述的基于谐振回路的振荡器，其中所述一个或更多个无源器件至少包括第一、第二、第三、第四电容器及第五电容器，所述一个或更多个有源器件是构成第一和第二有源器件的P沟道金属氧化物场效应晶体管或双极结晶体管，所述第一和第二有源器件中的每个有源器件都至少具有源极或发射极和栅极或基极，并且其中所述第一有源器件的所述栅极或基极与所述第一电容器的一侧及所述第五电容器的一侧连接，所述第二有源器件的所述栅极或基极与所述第二电容器的一侧及所述第五电容器的另一侧连接，所述第一电容器的另一侧与所述第二有源器件的所述源极或发射极及所述第四电容器的一侧连接，所述第二电容器的另一侧与所述第一有源器件的所述源极或发射极及所述第三电容器的一侧连接，以及所述谐振电路被连接于所述第三电容器的另一侧与所述第四电容器的另一侧之间以使所述谐振电路与所述第一及第二有源器件解耦。
16.根据权利要求1所述的基于谐振回路的振荡器，其中所述一个或更多个无源器件至少包括第一、第二、第三、第四电容器及第五电容器，所述一个或更多个有源器件是构成第一和第二有源器件的P沟道金属氧化物场效应晶体管或双极结晶体管，所述第一和第二有源器件中的每个有源器件都至少具有源极或发射极和栅极或基极，并且其中所述第一有源器件的所述栅极或基极与所述第一电容器的一侧及所述第五电容器的一侧连接，所述第二有源器件的所述栅极或基极与所述第二电容器的一侧及所述第五电容器的另一侧连接，所述第四电容器的一侧与所述第一有源器件的所述源极或发射极连接，所述第三电容器的一侧与所述第二有源器件的所述源极或发射极连接，所述第一电容器的另一侧与所述第三电容器的另一侧及所述谐振电路的一侧连接，所述第二电容器的另一侧与所述第四电容器的另一侧及所述谐振电路的另一侧连接以使所述谐振电路与所述第一及第二有源器件解耦。
17.根据权利要求1所述的基于谐振回路的振荡器，其中所述一个或更多个无源器件至少包括第一、第二、第三、第四电容器及第五电容器，所述一个或更多个有源器件是构成第一和第二有源器件的P沟道金属氧化物场效应晶体管或双极结晶体管，所述第一和第二有源器件中的每个有源器件都至少具有源极或发射极和栅极或基极，并且其中所述第一有源器件的所述栅极或基极与所述第一电容器的一侧、所述第三电容器的一侧及所述第五电容器的一侧连接，所述第二有源器件的所述栅极或基极与所述第二电容器的一侧、所述第四电容器的一侧及所述第五电容器的另一侧连接，所述第一电容器的另一侧与所述第二有源器件的所述源极或发射极连接，所述第二电容器的另一侧与所述第一有源器件的所述源极或发射极连接，以及所述谐振电路被连接于所述第三电容器的另一侧与所述第四电容器的另一侧之间以使所述谐振电路与所述第一及第二有源器件解耦。
18.一种方法，包括：
提供具有一个或更多个有源器件、一个或更多个无源器件及谐振电路的基于谐振回路的振荡器；以及
使用所述一个或更多个无源器件中的至少一个来使所述谐振电路与所述有源器件解耦；并且
其中设定在所述谐振电路与所述一个或更多个有源器件之间的耦合比以使所述谐振电路的振荡振幅的最大值仅基于所述一个或更多个无源器件的击穿来限定。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括：使所述一个或更多个有源器件仅受所述振荡振幅的所述最大值的一部分的影响。
20.根据权利要求18所述的方法，还包括：基于所述一个或更多个无源器件中的至少一个的击穿电压和击穿电流中的至少一个来确定所述振荡振幅的所述最大值。
21.根据权利要求18所述的方法，其中所述一个或更多个有源器件包括一个或更多个MOSFET，并且所述方法还包括独立地偏置所述一个或更多个MOSFET的漏极和栅极以控制所述谐振电路的所述振荡振幅。
22.根据权利要求18所述的方法，其中所述一个或更多个有源器件包括一个或更多个双极结晶体管，并且所述方法还包括独立地偏置所述一个或更多个双极结晶体管的集电极和基极以控制所述谐振电路的所述振荡振幅。
23.一种基于谐振回路的振荡器，包括：
谐振电路；
至少第一和第二电容器；以及
第一和第二有源器件，所述第一和第二有源器件中的每个有源器件都是N沟道金属氧化物场效应晶体管或双极结晶体管并且至少具有漏极或集电极和栅极或基极，
其中所述第一有源器件的所述栅极或基极与所述第一电容器的一侧及所述第二有源器件的所述漏极或集电极连接，所述第二有源器件的所述栅极或基极与所述第二电容器的一侧及所述第一有源器件的所述漏极或集电极连接，并且所述谐振电路被连接于所述第一电容器的另一侧与所述第二电容器的另一侧之间以使所述谐振电路与所述第一及第二有源器件解耦。
24.一种基于谐振回路的振荡器，包括：
谐振电路；
至少第一、第二、第三及第四电容器；以及
第一和第二有源器件，所述第一和第二有源器件中的每个有源器件都是N沟道金属氧化物场效应晶体管或双极结晶体管并且至少具有漏极或集电极和栅极或基极，
其中所述第一有源器件的所述栅极或基极与所述第一电容器的一侧及所述第三电容器的一侧连接，所述第二有源器件的所述栅极或基极与所述第二电容器的一侧及所述第四电容器的一侧连接，所述第一电容器的另一侧与所述第二有源器件的所述漏极或集电极连接，所述第二电容器的另一侧与所述第一有源器件的所述漏极或集电极连接，并且所述谐振电路被连接于所述第三电容器的另一侧与所述第四电容器的另一侧之间以使所述谐振电路与所述第一及第二有源器件解耦。
25.一种基于谐振回路的振荡器，包括：
谐振电路；
至少第一、第二、第三、第四电容器及第五电容器；以及
第一和第二有源器件，所述第一和第二有源器件中的每个有源器件都是N沟道金属氧化物场效应晶体管或双极结晶体管并且至少具有漏极或集电极和栅极或基极，
其中所述第一有源器件的所述栅极或基极与所述第一电容器的一侧及所述第五电容器的一侧连接，所述第二有源器件的所述栅极或基极与所述第二电容器的一侧及所述第五电容器的另一侧连接，所述第一电容器的另一侧与所述第二有源器件的所述漏极或集电极及所述第四电容器的一侧连接，所述第二电容器的另一侧与所述第一有源器件的所述漏极或集电极及所述第三电容器的一侧连接，并且所述谐振电路被连接于所述第三电容器的另一侧与所述第四电容器的另一侧之间以使所述谐振电路与所述第一及第二有源器件解耦。
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