CN103947104B - 电感增强型旋转行波振荡电路和方法 - Google Patents

电感增强型旋转行波振荡电路和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了多个电感增强的交错旋转行波振荡器(RTWOs)。部分传输线导线的长度增加并且平行布线。由于在这些部分导线中的电流以相同的方向流动，这些电感器的电感增大。通过控制这些区域的传输线导线的长度，与在振荡器中的电流在相反的方向流动的长度，所述振荡器的整体阻抗能够增加。增加的阻抗导致了更低的功耗和振荡器更低的相位噪声。此外，交错的振荡器彼此相位锁定。

Description

电感增强型旋转行波振荡电路和方法
技术领域
本发明涉及旋转行波振荡器，更具体地，涉及一种电感增强的种振荡器的。此外，本发明还涉及一种改进的电感器。
背景技术
美国专利6556089描述了一种旋转行波振荡器(RTWO)，在此通过将其作为整体参考并入。图1表示该振荡器的通常布置，它包括一对导线作为传输线，奇数数目的相位反转的元件，如分频器，连接到所述导线，和多个再生元件。如图1所示，传输线包括导线15a、15b以及一个分频器19，需要奇数数目的分频器以保持传输线上的振荡器。图1还示出了多个再生元件21，连接在沿着传输线的并处于线路上的导线15a和15b之间的空间隔离的位置。再生元件在线路上建立行波，并通过向线路提供能量以弥补小的损耗从而维持着波。
图2表示一个再生元件的一个实施例，一对跨接耦合的CMOS反相器。每个反相器的p沟道晶体管连接在第一电位VDD和传输线的一个导线之间。每个反相器的n沟道晶体管连接在传输线的同一个导线和第二电位VSS之间。在各个反相器中，两个晶体管的栅极的输入是传输线的另一导线，从而跨接耦合反相器。当波传输经过它们，跨接耦合的反相器进行切换，供给波以能量从而保持其振幅。只要再生元件呈现负电阻，它就可以执行启动和维持线路上的行波的功能。例如，美国专利7545225的再生装置可以执行所需的功能。
图3表示一个将再生元件连接到线路的一种方法。这样的连接偏置波的旋转方向，由于波先到达该反相器的栅极，在到达它们的漏极之前，如美国专利7218180所描述的，在此通过将其作为整体参考并入。这使得跨接耦合的反相器得到它们进行切换所需要的时间，正当波到达它们的输出时。因为开关是精心时控的，再生元件不会明显干扰振荡器的周期，由此导致低的相位噪声。
图4表示一个折叠的旋转时钟，它是专利7218180中有所描述。折叠旋转时钟具有六个折叠和一个分频器。如专利7218180所描述的，折叠具有提供连接到再生元件以在特定方向上偏置波的便利的优点。
图5在细节上表示到折叠线上的再生元件的连接，以使行波被偏置可以在一个特定的方向行进。请注意，波到达栅极之后到达反相器的漏极的时间是由折叠的长度确定。在所示的插入86，波先到达位置100，逆变器94的栅极上，在它到达位置102，逆变器94的漏极之前。因此，这种布置允许调整折叠的长度、反相器延迟。
发明内容
本发明的一个实施方式是一种交错的旋转行波振荡器。交错的振荡器包括第一旋转行波振荡器和第二旋转行波振荡器。第一旋转行波振荡器(RTWO)包括第一对导线和第一分频器，其中第一对导线与第一分频器连接以形成第一闭合回路。第二旋转行波振荡器(RTWO)包括第二对导线和第二分频器，其中第二对导线与第二分频器连接以形成第二闭合回路。第二闭合回路与第一闭合回路占有近似相同的物理区域；第一和第二分频器的导线空间上隔开，并在一个足够的长度上相互平行，因而该分频器的电感增大。
本发明的一个优点是，操作振荡器所需要的功率减小。
另一个优点在于，相位噪声得到改善。
再一个优点是，交错的振荡器是自然锁相。
再一个优点是，多个振荡器需要的面积不与单个振荡器的需求实质性的增加。
附图简要说明
参照下面的描述、附及的权利要求以及相应的附图，将会更好的理解本发明的这些以及其它特征、方面和优点。
图1示出一个旋转行波振荡器的总体布置；
图2示出一对跨接耦合的反相器的再生装置的实施例，即；
图3示出将再生装置连到线路上的一种方式；
图4示出如在美国专利7218180中描述的折叠旋转时钟；
图5示出更详细的折叠线路上的一个再生元件的连接，将波偏置以使其在一个特定的方向行进；
图6示出了本发明的一个实施例；
图7示出了本发明第二实施例；
图8示出图6的实施例的横截面；
图9示出在图7的实施例的横截面；
图10示出了图6的实施例中代表性的再生元件的放置；
图11示出了本发明另一个实施例，其中第一或第二实施例的传输线形成一个闭环；
图12示出传输线的一部分的透视图；
图13示出传输线的一部分的透视图；
图14示出一种替代的RTWO装置，其包括一对交错的RTWO；
图15A示出了在导线Ap、An，为清楚起见表示为零厚度的线，对该RTWO对中的第一个RTWO；
图15B示出了导线Bp、Bn，表示为零厚度的线，对该RTWO对中的第二个RTWO；
图16A示出了跨接区域中的振荡器的导线的放置；
图16B示出了放置相邻导线的一种方式；
图16C示出了放置相邻导线的第二方式。
具体实施方式
图6示出了本发明的实施例200。在本实施例中，一个旋转行波振荡器的一对传输线导线的一部分202承载着行波。电流IA在导线A202中流动，电流IB的另一导线B204中流动。电压VAB206存在于两个导线之间，其中假定导线A在传输线的上部208为更高电势，导线B在传输线的中部210为更高电势，并且导线A在底部212为更高电势。因此，所描述的传输线包括两个分频器。一跨接(cross-over)214逆转段208和段210之间的波的极性，另一跨接216逆转段210和段212之间的波的极性。不同于美国专利6556089所提出的减少导线相互之间的跨接的耦合，本发明的分频器试图最大化导线之间的耦合，这样以使分频器构成的传输线长度的主要部分。事实上，在本发明中，目的是使在横向路径的长度W220相比纵向路径的长度L222要更长。在一个实施例中，W/L比值约为3。然而，这个比例是选取的以实现所需的阻抗和再生元件的栅极偏置时延的设计参数。形成具有水平和纵向路径的循环的一个好处是，其更紧凑，传输线路的显著较长的长度可以匹配较小的区域。
图6所示的实施例的一个重要的特性是，区域224的磁通量Φ是图5所示的折叠的区域85的4倍。其原因是，区域周围的电流是两倍大，具有添加在分段208和212的相邻的水平导线的大致相等的电流IA和IB。因此，本实施例中导线的电感增加了4倍。
增加传输线的电感导致传输线的阻抗增加，根据关系式其中，L是每单位长度的微分电感，C是传输线的单位长度的微分电容。例如，将电感增加四倍，并保持电容不变，由两个因素增加了阻抗。传输线的较高的阻抗有一些非常积极的影响。一个好处是，线路上的波的功率减少了二分之一，因为对于导线之间一个给定的差分电压只需要一半的电流。另一个效果是，相位噪声改善了约3dB，这相当于两倍的改进。相位噪声的改善源于Q因子(Q＝ωL/R)的改进。具体而言，由于电感的增强，单位长度的电感增加大约4倍，但传输线的串联电阻增加一倍。这将导致Q因子变为2倍，并因此降低了相位噪声。如果一个振荡器品质因数可以被定义为功率和相位噪声的乘积，那么图5所示实施例的品质因数的改变为大约4倍，大致与电感增加的程度相同。
图8示出图6的实施例的横截面400。表明了导线A402和B404通过任意方便的和适宜的绝缘体408从接地平面406分离，依据该传输线通过印刷电路板还是集成电路来实现。
图7示出了本发明的第二实施例300。在本实施例中，导线A和B的横向路径导线堆叠在彼此的顶部，一个分频器由顶部金属和底部金属之间的一个或多个引线或通道324、326实现。因此，导线中电流IA在其左侧的在段308中具有电流IB的导线的下面流动，导线中电流IA在其右侧的则在段310中具有电流IB的导线的上面流动。
图9示出图7的实施例的横截面。在本实施例中，左侧的导线A设置在绝缘体之上，而绝缘体依次布置在导线B之上。右侧的导线B以相似的方式设置在导线A上。在这两种情况下，导线通过适宜的绝缘体与接地平面绝缘。
图10A示出图6的实施例的代表性的再生元件的放置。正如图中清晰的表明，再生元件602、604可以方便地设置在导线A202和导线B204之间，使得在传输线上行进的波倾向于在一个特定的方向行进。本发明的一个优点是，可以选择横向导线的长度L以匹配再生元件的各种实现的传播延迟。例如，众所周知，p型晶体管比n-型晶体管慢。因此，如果再生元件通过n型器件实现，如MOS或双极性晶体管，横向导线的长度可以更小(图10A中的L小于图10B中的L')，相比于如果采用p型器件。图10A示出了再生元件是n型器件的情况，它需要更少的时间。图10B示出了再生元件702、704是p型器件的情况，它需要相对更多的时间。
在每一个实施例中，截面的纵向路径相比于横向路径具有不同的间距。如果传输线的构造是相同的，这使得纵向路径的Z0不同于横向路径，引起在不匹配点的反射。令电感之间的关系为Lh＝nLv(其中n约等于4，由于其增强)，电容之间的关系为Ch＝mCv(其中m<1，由于相对距离)，这里的下标h是指横向路径，下标v指纵向路径。然后，阻抗之间的关系是表明当m与n不同的时候出现的明显的不匹配。为纠正不匹配，电容之间的关系必须转变，以使Ch比Cv约大n倍。为实现此的一种方法是通过增加横向路径的宽度来增加Ch。另一种方法是将宽度减小，从而减小纵向路径的Cv值。当然，可以同时做这两种变化。
图11示出本发明的另一实施例800。在本实施例中，顶部和底部的金属路径具有与图6或图7中的相似的图案，但纵向一侧被改变，以使金属路径贯穿一个闭合回路，如所示的圆环802。这种结构允许电路位于或靠近闭合环路的中心，以访问旋转振荡器的更多的相位引线，而很少或没有歪斜，相对于振荡器的其它布置。访问更多的相位引线使得电路有效地以更高的速度运行，与其它电路的运行相比，如只有两相。例如，具有N个可访问的相位引线的工作在频率f的时钟允许电路有效地工作的N*f。
图12示出传输线的一个部分的透视图，其中金属路径中的一个与其它金属路径重叠。重要的是，重叠部分的宽度大于位于重叠部分的适当角度处的部分的宽度。
图13示出传输线的一个部分的透视图，其中一个或多个引线1024、1026将顶部金属路径连接到底部金属路径。再一次，重叠部分的宽度大于位于重叠部分的适当角度处的部分的宽度。
多个振荡器
根据图14，多个RTWO可能会占用基本相同的面积。在该图中，两个振荡器都有自己的导线，其布置使得每个振荡器的一个导线的长度方向平行走线，并位于另一个振荡器的两个导线的长度方向之间。在这种布置中，振荡器被称为互相“交错的”。其它物理布置也是可能的，只要每个振荡器的导线隔离一定的预定的距离布线，并在紧密靠近，使得它们共享由每个振动器产生的电磁(EM)场。值得注意的是，图14没有按比例绘制，并不描述导线的长度，而只描述两个振荡器的交错。图15A示出了图14的两个振荡器的第一RTWO，为了清楚起见其导线Ap1046、An1042被表示为零厚度的线。图15B示出了图14的两个振动器的第二RTWO，其导线Bp1048、Bn1044也表示为零厚度的线。在图14的跨接区域1041，导线Ap和Bp具有连接它们与Ap’和Bp’的路径，导线An和Bn具有连接它们与An’和Bn’的路径。
图16A示出了两个振荡器在跨接区域1041的导线的一个新的配置。在图16中，Ap1046导线和An1042导线走线与Bp1048导线和Bn1044导线平行。在图16中，跨接区域中的导线包含整个振荡器的主要的导线长度，这样跨接区域中的导线的耦合最大化，类似于图6和图7所示的。导线中的电流以相同方向流动，所产生的磁通量连接导线，增加其电感。
图14、图15A和图15B示出了作为零厚度传输线的导线，为清楚起见，但是，在实践中，一个导线具有一定的物理宽度w和深度d。图16B和图16C表明了如何布置物理上的导线的截面图A-A。在图16B中，Bp物理上的导线1048被堆叠在Bn导线1044，Ap物理上的导线1046堆叠在An物理上的导线1042，每一对堆叠在一个接地平面1082上。另外，Bp导线1048和Bn导线1044在侧面上与Ap导线1046和An导线1042接近。如图16C所示，导线1042、1044、1046、1048在侧面上均彼此接近，并堆叠在一个接地平面1082上。
如上所述，对于电感增强发生，振荡器的跨接区域的导线的电流必须在相同的方向，这要求该振荡器相互之间进行相位锁定。相位锁定自然发生，因为每个振荡器受到其它振荡器的自然的影响，通过其产生的磁场。在相位锁定和每个振荡器具有沿逆时针方向传输的波的前提下，产生如下的电压差。
VAn＝-VAp(1a)
VAn’＝-VAp’(1b)
VBn＝-VBp(1c)
VBn’＝-VBp’(1d)
另外，对每个振荡器，随着电压波沿着一对导线行进，其波前也沿着导线产生电压差，因为波改变导线之间的电压。沿每个导线的长度方向的电压差为：
VAp’＝VAp+ΔVA(2)
VBp’＝VBp+ΔVB(3)
其中ΔVA是沿Ap导线的电压差，ΔVB是沿BP导线的电压差。合成由式(1)与式(2)和(3)表示的导线之间的电压差，则给出：
VAn’＝VAn-ΔVA(4)
VBn’＝VBn-ΔVB(5)
其为表示横跨导线An和Bn上的电压差的等式。
等式(2)、(3)、(4)和(5)表明
VAp’>VAp，VAn>VAn’，VBp’>VBp，VBn>VBn’(6)
因此，电流从VAp’到VAp，从VAn到VAn’，从VBp’到VBp，从VBn到VBn’，也就是说，所有电流流在相同的方向，如图16A所示。
如前所述，将导线如图16B和16C所示的定位于彼此相邻会增大电感，但增加的量是实际的导线几何形状的强函数，如图16B所述的w和d。增加的范围可以从大约到大约L兰LoN，任何数目的振荡器N可以以这种方式交错。正如该方程所表明，交错振荡器的数量越大，增加的电感越大。
这里描述的电感的增加导致一个重要的有益的作用-它降低了振荡器的功耗。其原因是，每个振荡器的导线的电感值L的增加导致传输在每一个振荡器的导线之间的波行所遇到的阻抗Z更大，因为较高的阻抗降低了每个振荡器的电流，从而降低了每个振荡器的功耗，因为P～V2/Z，其中V是每个振荡器上传输的电压波的幅值，Z是增大的阻抗。
然而，除了降低功耗，还发生另一个效应。每个振荡器具有较低的相位噪声，因为每个振荡器通过一个小的阻抗耦合到其它，也就是上面描述的感应耦合的阻抗。在RTWO间的耦合阻抗的情况下，该阻抗被有效地吸收到每个RTWO阻抗中，使的耦合阻抗几乎为零。这是非常可取的，因为较小的耦合阻抗导致每一个振荡器更大的相位噪声的减少，每个振荡器在稳定其它振荡器的影响更大。如果耦合阻抗为零，那么每个振荡器将实现3dB的相位噪声的减少。因此，本文所述的设计达到了此限制。作为替代方案，而不是完全依靠自然的感应耦合，设计者可以通过加入电或金属连接促进耦合，如振荡器之间的通孔。
因此，如上所述安排多个振荡器实现了若干理想的结果，(a)振荡器相互之间成为自然相位锁定；(b)振荡器具有更低的功耗，(c)振荡器具有降低的相位噪声；以及(d)多个振荡器不占用比一个振荡器更多的区域。虽然本发明已经相当详细地描述，结合参照某些优选的方案，其它形式也是可能的。例如，在高频率下，避免会导致反射的传输瑕疵是很重要的。一种瑕疵会出现在改变方向的金属路径的直角处。在这些转角处的金属路径的宽度增大这改变了金属路径的阻抗。一个更好的改变方向的方法是将直角改成圆角，或两个45度的转弯。另一种方法是，在转角处移去金属路径的一部分，使得距离与路径的其余部分是一样的。在图12和13中，拐角906、1006的一部分被去除以保持阻抗在方向的变化上的相对稳定。因此，所附及的权利要求的精神和范围不应当限于本文包含的对优选方案的描述。

Claims (20)

1.一种交错旋转行波振荡器，包括：
第一旋转行波振荡器包括第一对导线和第一跨接，所述第一对导线与第一跨接连接以形成第一闭合回路；
第二旋转行波振荡器包括第二对导线和第二跨接，所述第二对导线与第二跨接连接以形成第二闭合回路；
所述第二闭合回路与所述第一闭合回路占有近似相同的物理区域；
所述第一跨接和第二跨接的导线空间上隔开，并在一个足够的长度上相互平行，使得所述跨接的电感增大，
其中第一对导线和第二对导线进行交错，使得它们共享由彼此产生的电磁场。
2.根据权利要求1所述的交错振荡器，其中，所述第一对导线的第一导线和第二对导线的第一导线是直接相邻，所述第一对导线的第二导线和第二对导线的第二导线是直接相邻。
3.根据权利要求1或2所述的交错振荡器，其中，在所述跨接的平行导线中流过的任何电流以相同的方向流动。
4.根据权利要求1或2所述的交错振荡器，其中，所述第一跨接的导线互相堆叠，并一起布置在一个接地平面上；所述第二跨接的导线互相堆叠，并一起布置在一个接地平面上；所述第一跨接的导线和所述第二跨接的导线在横向上彼此相邻。
5.根据权利要求1或2所述的交错振荡器，其中所述第一跨接和第二跨接的导线被布置在一个接地平面，并且横向上彼此相邻。
6.根据权利要求1或2所述的交错振荡器，其中第一旋转行波振荡器和第二旋转行波振荡器通过一个阻抗被互相耦合，使得每个旋转行波振荡器具有降低了的相位噪声。
7.根据权利要求6所述的交错振荡器，其特征在于，耦合阻抗是电感性的。
8.根据权利要求6所述的交错振荡器，其特征在于，耦合阻抗是电阻性。
9.根据权利要求1或2所述的交错振荡器，其中第一旋转行波振荡器和第二旋转行波振荡器通过一个阻抗被互相耦合，使得每一个旋转行波振荡器与另一个旋转行波振荡器之间相位锁定。
10.一种集成电路，包括：
第一旋转行波振荡器，包括第一对导线和第一跨接，所述第一对导线与第一跨接连接以形成第一闭合回路；
第二旋转行波振荡器，包括第二对导线和第二跨接，所述第二对导线与第二跨接连接以形成第二闭合回路；
所述第二闭合回路与所述第一闭合回路占有近似相同的物理区域；
所述第一对导线和第二对导线进行交错，使得它们共享由彼此产生的电磁场。
11.根据权利要求10所述的集成电路，所述第一对导线的第一导线和第二对导线的第一导线是直接相邻，所述第一对导线的第二导线和第二对导线的第二导线是直接相邻。
12.根据权利要求11所述的集成电路，其特征在于，在第一闭合回路的一部分中所述第二对导线的第一导线与所述第一对导线平行并且在所述第一对导线之间，并且其中在第二闭合回路的一部分中所述第一对导线的第一导线与第二对导线平行并且在所述第二对导线之间。
13.根据权利要求10至12任一所述的集成电路，其特征在于，所述第一跨接的第一导线与第二跨接的第一导线平行布线，所述第一跨接的第二导线与第二跨接的第二导线平行布线，所述第一跨接的第一导线和第二导线与所述第二跨接的第一导线和第二导线中的任何电流以相同的方向流动。
14.根据权利要求13所述的集成电路，其中，所述第一跨接的第一导线和第二导线互相堆叠，并一起布置在一个接地平面上；所述第二跨接的第一导线和第二导线互相堆叠，并一起布置在一个接地平面上；所述第一跨接的第一导线和第二导线和所述第二跨接的第一导线和第二导线在横向上彼此相邻。
15.根据权利要求13所述的集成电路，其中所述第一跨接的第一导线设置在所述第二跨接的第一导线和第二导线之间并与之横向相邻，所述第二跨接的第一导线设置在所述第一跨接的第一导线和第二导线之间并与之横向相邻，所述第一跨接的第一导线和第二导线与所述第二跨接的第一导线和第二导线被布置在一个接地平面上。
16.根据权利要求10至12中任一所述的集成电路，其中所述第一旋转行波振荡器和第二旋转行波振荡器通过一个阻抗互相耦合。
17.根据权利要求16所述的集成电路，其中，所述耦合阻抗是电感性的。
18.根据权利要求16所述的集成电路，其中，所述耦合阻抗是电阻性。
19.一种生成多个行波的方法，包括：
使用第一旋转行波振荡器生成第一行波，所述第一旋转行波振荡器包括第一对导线和第一跨接，所述第一对导线与第一跨接连接以形成第一闭合回路；
使用第二旋转行波振荡器生成第二行波，所述第二旋转行波振荡器包括第二对导线和第二跨接，所述第二对导线与第二跨接连接以形成第二闭合回路；
所述第二闭合回路与所述第一闭合回路占有近似相同的物理区域；
所述第一对导线和第二对导线进行交错，使得它们共享由彼此产生的电磁场。
20.根据权利要求19所述的方法，其中生成第一行波和第二行波的方法包括相位锁定第一旋转行波振荡器和第二旋转行波振荡器。
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