CN105281669B - 用于压控振荡器的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

根据实施例，一种振荡器包括储能器电路，以及具有耦合至储能器电路的多个交叉耦合的混合晶体管的振荡器核心电路。多个混合晶体管的每一个包括双极晶体管，以及具有耦合至双极晶体管基极的源极的场效应晶体管(FET)。

Description

用于压控振荡器的系统和方法
技术领域
本公开通常涉及一种电子装置，并且更具体地涉及一种用于振荡器的系统和方法。
背景技术
由于在诸如硅锗(SiGe)之类的低成本半导体技术以及精细几何结构互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺中的快速进步，过去几年来毫米波频段中的应用已经广受关注。高速双极和金属氧化物半导体(MOS)晶体管的可用性已经导致对在60GHz、77GHz和80GHz甚至超过100GHz的mm波应用的集成电路需求增长。这些应用包括例如汽车雷达和多吉比特通信系统。
在一些雷达系统中，通过发射调频信号、接收调频信号的反射以及基于调频信号的发射与接收之间的延时和/或频率差而确定距离从而确定雷达与目标之间的距离。雷达系统的分辨率、精度和灵敏度可以部分地取决于雷达的频率发生电路装置的相位噪声性能和频率灵敏度，雷达的频率发生电路装置通常包括RF振荡器以及控制RF振荡器频率的电路装置。影响相位噪声性能的一个因素是由RF振荡器所产生的振荡信号的幅度。然而，在许多RF振荡器中，用于产生振荡的有源器件的饱和度可以限制振荡信号的幅度。
发明内容
根据一个实施例，一种振荡器包括储能电路(tank circuit)以及具有耦合至储能电路的多个交叉耦合的混合晶体管的振荡器核心电路。多个混合晶体管中的每一个包括双极晶体管以及具有耦合至双极晶体管基极的源极的场效应晶体管(FET)。
附图说明
为了更完整理解本发明及其优点，现在结合附图参考以下说明书，其中：
图1示出了传统的振荡器；
图2示出了实施例的振荡器；
图3示出了根据另一实施例的振荡器；
图4a－图4b示出了根据其他实施例的振荡器；
图5示出了使用实施例振荡器的雷达系统；
图6示出了实施例方法的流程图；以及
图7示出了可以用于实施实施例振荡器中电流源的示例性电流源。
不同附图中对应的数字和符号通常涉及对应的部件，除非另外给出相反指示。绘制附图以清晰地示出优选实施例的相关特征方面，并且无需按照比例绘制。为了更清晰地示出某些实施例，指示了相同结构、材料或工艺步骤的字母可以跟随在附图编号之后。
具体实施方式
以下详细讨论本发明优选实施例的制造和使用。然而，应该知晓的是，本发明提供了可以实施在广泛具体环境中的许多可应用的创新概念。所述具体实施例仅是用以制造和使用本发明的具体方式的示意说明，并且并未限定本发明的范围。
将关于用于振荡器的具体环境、系统和方法的优选实施例来描述本发明，振荡器诸如压控振荡器(VCO)。本发明也可以适用于使用RF振荡器的系统和应用，诸如通用雷达系统和无线通信系统。
在本发明的一些实施例中，低相位噪声振荡器利用了使用混合器件实施的振荡器核心，混合器件包括双极晶体管以及诸如金属氧化物半导体FET之类的场效应晶体管(FET)。FET的源极耦合至混合器件中双极晶体管的基极以帮助防止双极晶体管进入饱和状态。
通常，可以使用Leeson等式试探地将RF振荡器的相位噪声描述为频率偏移Δω的函数：
其中F是振荡器电路内有源器件的噪声因子，k是玻尔兹曼常数，T是开氏温度，Psig是振荡器的储能器或谐振器中信号功率，ωc是对于闪烁噪声的角频率，Q是振荡器的储能器或谐振器的品质因子，以及Δω表示频率偏移。从Leeson方程可以看到，相位噪声反比于信号功率Psig。因此，在大多数实施例中，如果振荡幅度增大，振荡器的相位噪声可以减小。
图1示出了传统的VCO 100，其包括双极晶体管Qa和Qb，以及使用电感器La和Lb、电容器C1a和C2b而实施的储能器电路。在操作期间，晶体管Qa和Qb综合合成负性电阻，其抵消中和了储能器中寄生电阻，并且向储能器供能以便于维持振荡。电容器C2a和C2b用于偏置晶体管Qa和Qb的基极。然而，当偏置电流增大时，晶体管Qa和Qb将进入饱和并且限制振荡幅度。
VCO 100的振荡频率近似为：
其中L是电感La和Lb的总和，以及C是串联耦合的电容器Cta和Ctb的电容。
图2示出了根据本发明实施例的振荡器200。在此，NMOS晶体管Ma和Mb的源极分别耦合至晶体管Qa和Qb的基极。在所示实施例中，NMOS晶体管Ma和Mb的源极分别直接连接至双极晶体管Qa和Qb的基极。然而，在备选实施例中，其他元件可以耦合在NMOS晶体管Ma和Mb的源极、与双极晶体管Qa和Qb的基极之间。因为NMOS晶体管Ma和Mb帮助防止晶体管Qa和Qb进入饱和状态，所以可以支持更高的振荡幅度。此外，MOS晶体管在更高漏极电流时具有更高栅极-源极电压的事实也有助于支持更高的振荡幅度和更低的相位噪声。
如图所示，双极晶体管Qa和NMOS晶体管Ma形成了一个混合器件，以及双极晶体管Qb和NMOS晶体管Mb形成了另一混合器件，两个混合器件相互交叉耦合。此外，NMOS晶体管Ma的漏极耦合至双极晶体管Qa的集电极，以及NMOS晶体管Mb的漏极耦合至双极晶体管Qb的漏极。在一些实施例中，除了npn双极晶体管之外的其他晶体管类型可以用于实施双极晶体管Qa和Qb，以及除了NMOS晶体管之外的晶体管类型可以用于实施FET Ma和Mb。例如，在一些实施例中，晶体管Qa和Qb可以使用pnp双极晶体管实施，并且晶体管Ma和Mb可以使用PMOS晶体管实施。在其他备选实施例中，Ma和Mb的体节点可以连接至它们相应源极节点而非衬底(NMOS)或电源节点VCC(PMOS)。
在实施例中，可以使用各种类型电感器实施电感器La和Lb，诸如分立电感器、片上电感器、片上变压器、以及传输线元件。片上电感器可以包括例如在集成电路的一个或多个金属层中制造的螺旋电感器。可以使用例可切换电容器网络、变容器和/或如本领域已知的其他可调电容器电路和系统而实施可调电容器Cta和Ctb。在一些实施例中，振荡器200可以实施作为VCO，例如通过将可调电容的电容器Cta和Ctb实施作为变容二极管或者具有由电压可控电容的MOS-变容器。备选的，具有可调电容的其他结构或部件可以用于实施电容器Cta和Ctb。
在实施例中，在耦合至振荡器200的储能器电路的节点Out和Outm处差分地获取振荡器200的输出。在一些实施例中，可以使用本领域已知的高频缓冲器电路缓冲这些节点。备选的，可以在双极晶体管Qa和Qb的发射极处以单端方式获取倍频。
图3示出了另一实施例振荡器300，其中NMOS晶体管Ma和Mb操作作为源极跟随器。在此，NMOS晶体管Ma和Mb的漏极连接至电源节点VCC，而非如图2所示连接至双极晶体管Qa和Qb的相应集电极。该源极跟随器配置也有助于支持更高振荡幅度和更低相位噪声。
图4a示出了实施例VCO 400，其中使用变容器402和404实施可调电容，其可以实施作为具有反比于交叉施加在其端子中电压的电容的二极管。该所施加电压的减小可以是由于反向偏置二极管中耗尽区域宽度的增大所致，该增大引起其电容对应的减小。在实施例中，通过调整Vtune的电压而调整变容器402和404的电容。在一个实施例中，变容器402和404的电容随着电压Vtune增大而减小。如图4a进一步所示，电阻器RE耦合至双极晶体管Qa和Qb的发射极以用于实施图2中所示的电流源IE。
在一些实施例中，电感器La和Lb可以具有可变或可调的电感，并且可以替代或者除了变容器402和404之外用于调节储能器电路的频率。在一些实施例中，可以通过使用与电感性元件耦合的切换了电路中电感性元件的开关、和/或通过使用本领域已知的其他可调电感器结构而使得电感器La和Lb可调。例如，电感器La和Lb的电感可以由差分电压控制电感器而可调，这在M.Tiebout,“A CMOS fully integrated 1GHz and 2GHz dual bandVCO with voltage controlled inductor,”in Proc.European Solid-State CircuitsConf.(ESSCIRC),2002,pp.799–802中描述，该文献在此通过全文引用方式并入本文。在另外其他实施例中，可以例如使用Kwok,J.R.Long和J.J.Pekarik,“A23-to-29GHzdifferentially tuned varactorless VCO in 0.13μm CMOS,”in IEEE Int.Solid-StateCircuits Conf.Tech.Dig.,Feb.11–15,2007,pp.194–596中所述的无变容器结构而调整储能器，在此通过全文引用方式并入本文。应该知晓，使用可变电感、可变电容和/或备选的储能调节技术可以适用于所公开的任何实施例。
在备选实施例中，可以使用如图4b中所示耦合至电源VCC的电流源IC来提供用于双极晶体管Qa和Qb的电流。电阻器RE可以可选地耦合在双极晶体管Qa和Qb的发射极与接地之间。备选地，可以省略RE。
图5示出了单片雷达发射系统500，其包括升频器502、功率放大器504和频率发生电路506。如图所示，升频器502将基带信号BB升频至更高频率信号，该更高频率信号随后由功率放大器504放大并且在管脚OUT上输出。在一些实施例中，基带信号BB可以是扫描频率或者雷达系统中使用的其他信号类型。频率发生电路506基于管脚REF上参考频率而产生本地振荡器信号LO，参考频率可以使用例如晶体振荡器产生。在实施例中，使用具有相位探测器512、环路滤波器510、VCO 508和分压器514的锁相环(PLL)而实施频率发生电路506。可以使用在此所述的实施例VCO实施VCO 508。应该知晓，系统500仅是可以利用实施例振荡器的实施例系统许多示例中的一个。备选的系统可以包括例如无线和有线通信系统，以及使用VCO的其他系统。
图6示出了操作振荡器的实施例方法的流程图600。在步骤602中，电流施加至耦合至储能器电路的振荡器核心。在实施例中，振荡器核心包括耦合至储能器电路的多个交叉耦合的混合晶体管，其中多个混合晶体管的每一个包括双极晶体管以及具有耦合至双极晶体管基极的源极的场FET。如上所述，由FET与双极晶体管形成的混合器件增大了动态余量(headroom)，由此允许振荡器在一些实施例中具有增大的振荡幅度和更低的相位噪声。该电流可以使用例如由电阻器实施的电流源而输送至振荡器核心。一旦VCO核心接收到电流，在步骤604中形成负性电阻。该负性电阻抵消中和了储能器电路的电阻，并且允许电能传输至储能器电路以便于维持振荡。
在步骤606中，通过调整储能器电路中电容而调整振荡器的频率。在一些实施例中，通过调整储能器电路内跨变容二极管的电压来调整电容，其中振荡器操作作为VCO。备选的，变容器可以实施作为MOS变容器，例如使用具有连接在一起的源极和漏极的MOS器件。在该情形中，可以通过在MOS变容器的栅极与MOS变容器的源极/漏极连接之间施加电压而调整电容。备选的，可以开关切换储能器电路中电容以便于选择振荡频率。在一些实施例中，电容的开关切换可以数字控制，以使得振荡器操作作为数字控制的振荡器(DCO)。
图7示出了电流源700，其可以用于实施图2和图3中所示实施例振荡器中的电流源IE。如图所示，电流源700包括耦合至NMOS器件704的二极管连接的NMOS器件702。在实施例中，电流Iin流过NMOS器件702，并且根据输入电流而建立了栅极-源极电压。NMOS器件702的栅极源极电压施加至NMOS器件704的栅极和源极，由此引起对应的电流Iout流过NMOS器件704。在实施例中，Iout近似为m*Iin，其中m是NMOS器件704相对于NMOS器件702的尺寸比例。备选的，可以使用其他装置类型实施电流源700。例如，基于PMOS的电流镜可以用于实施图4b中所示电流源IC。在一些实施例中，可以替代于MOS器件使用BJT晶体管，和/或退化电阻器(未示出)可以与电流源晶体管的源极和/或发射极节点串联耦合。备选的，可以使用本领域已知的其他电流源结构。
根据实施例，振荡器包括储能器电路，以及具有耦合至储能器电路的多个交叉耦合的混合晶体管的振荡器核心电路。多个混合晶体管的每一个包括双极晶体管，以及具有耦合至双极晶体管基极的源极的场效应晶体管(FET)。在一些实施例中，FET的漏极耦合至双极晶体管的集电极。备选的，FET的漏极可以耦合至恒定参考电压。振荡器可以布置在BiCMOS集成电路中，和/或可以具有在约10GHz与约30GHz之间的工作频率。
在实施例中，储能器包括电感元件和电容元件。电容元件的电容可以是可调的，并且可以使用变容器实施。双极晶体管可以包括NPN晶体管，并且FET可以包括n沟道金属氧化物场效应晶体管(NMOS)器件。
根据另一实施例，振荡器包括储能器电路，具有耦合至储能器电路第一端子的第一集电极的第一双极晶体管，具有耦合至第一双极晶体管的第一基极的第一源极、以及耦合至储能器电路的第二端子的第一栅极的第一场效应晶体管(FET)，具有耦合至储能器电路第二端子的第二集电极的第二双极晶体管，以及包括耦合至第二双极晶体管第二基极的第二源极、以及耦合至储能器电路第一端子的第二栅极的第二FET。
在实施例中，振荡器可以进一步包括具有第一端子的电流源，第一端子耦合至第一双极晶体管第一发射极、以及耦合至第二双极晶体管的第二发射极。电流源可以包括耦合在电流源的第一端子与第一参考节点之间的电阻器。
在实施例中，第一FET包括耦合至第一双极晶体管的第一集电极的第一漏极，以及第二FET包括耦合至第二双极晶体管的第二集电极的第二漏极。备选的，第一FET包括耦合至第二参考节点的第一漏极，以及第二FET包括耦合至第二参考节点的第二漏极。在实施例中，第一FET和第二FET使用n沟道金属氧化物半导体器件实施。
储能器电路可以包括耦合在储能器电路第一端子与电源节点之间的第一电感器，耦合在储能器电路第二端子与电源节点之间的第二电感器，以及耦合在储能器电路第一端子与储能器第二端子之间的可调电容器。可调电容器可以包括例如，耦合在储能器第一端子与调节节点之间的第一变容二极管，以及耦合在储能器第二端子与调节节点之间的第二变容二极管。
根据另一实施例，操作振荡器的方法包括，通过施加电流至振荡器核心而在储能器电路的端子处产生振荡信号，储能器电路包括耦合至储能器电路的多个交叉耦合的混合晶体管。多个混合晶体管的每一个包括双极晶体管，以及具有耦合至双极晶体管基极的源极的场效应晶体管(FET)。方法可以进一步包括经由储能器电路中的可调电容器而调节振荡器。在一些实施例中，产生振荡信号进一步包括使用振荡器核心提供负性电阻。
实施例的优点包括由于振荡信号幅度增大而引起的低相位噪声。在一个实施例中，使用实施例的混合器件，与使用单个双极晶体管的电路相比，获得了约10dB的相位噪声改进。
尽管已经参照示意性实施例描述了本发明，该说明书并非意在构造为限定方式。一旦参考了说明书，示意性实施例的各种修改和组合、以及本发明的其他实施例对于本领域技术人员将是明显的。

Claims (24)

1.一种振荡器，包括：
储能器电路；以及
振荡器核心电路，包括耦合至所述储能器电路的多个交叉耦合的混合晶体管，其中所述多个混合晶体管中的每个混合晶体管包括双极晶体管和场效应晶体管，所述场效应晶体管具有耦合至所述双极晶体管的基极的源极，其中，所述场效应晶体管的漏极耦合至所述双极晶体管的集电极。
2.根据权利要求1所述的振荡器，其中，所述双极晶体管包括NPN晶体管，以及所述场效应晶体管包括n沟道金属氧化物场效应晶体管器件。
3.根据权利要求1所述的振荡器，其中，所述振荡器包括在10GHz与30GHz之间的工作频率。
4.根据权利要求1所述的振荡器，其中，所述振荡器布置在BiCOMS集成电路上。
5.根据权利要求1所述的振荡器，其中，所述储能器包括电感元件和电容元件。
6.根据权利要求5所述的振荡器，其中，所述电容元件的电容是可调的。
7.根据权利要求6所述的振荡器，其中，所述电容元件包括变容器。
8.根据权利要求5所述的振荡器，其中，所述电感元件的电感是可调的。
9.一种振荡器，包括：
储能器电路；以及
振荡器核心电路，包括耦合至所述储能器电路的多个交叉耦合的混合晶体管，其中所述多个混合晶体管中的每个混合晶体管包括双极晶体管和场效应晶体管，所述场效应晶体管具有耦合至所述双极晶体管的基极的源极，其中，所述场效应晶体管的漏极耦合至恒定参考电压。
10.根据权利要求9所述的振荡器，其中，所述储能器包括电感元件和可调电容元件。
11.根据权利要求10所述的振荡器，其中，所述可调电容元件包括变容器。
12.根据权利要求9所述的振荡器，其中，
所述振荡器被布置在BiCMOS集成电路上；
所述双极晶体管包括NPN晶体管；以及
所述场效应晶体管包括NMOS器件。
13.根据权利要求9所述的振荡器，其中所述振荡器包括在10GHz和30GHz之间操作的频率。
14.一种振荡器，包括：
储能器电路，包括耦合在储能器电路的第一端子和电源节点之间的第一电感器、以及耦合在所述储能器电路的第二端子和所述电源节点之间的第二电感器；
可调电容，耦合在所述储能器电路的第一端子和所述储能器电路的第二端子之间；
第一双极晶体管，包括耦合至所述储能器电路的第一端子的第一集电极；
第一场效应晶体管，包括耦合至所述第一双极晶体管的第一基极的第一源极和耦合至所述储能器电路的第二端子的第一栅极，其中所述第一场效应晶体管包括耦合至所述电源节点的第一漏极；
第二双极晶体管，包括耦合至所述储能器电路的第二端子的第二集电极；以及
第二场效应晶体管，包括耦合至所述第二双极晶体管的第二基极的第二源极和耦合至所述储能器电路的第一端子的第二栅极，其中所述第二场效应晶体管包括耦合至所述电源节点的第二漏极。
15.一种振荡器，包括：
储能器电路；
第一双极晶体管，包括耦合至所述储能器电路的第一端子的第一集电极；
第一场效应晶体管，包括耦合至所述第一双极晶体管的第一基极的第一源极和耦合至所述储能器电路的第二端子的第一栅极，其中所述第一场效应晶体管包括耦合至所述第一双极晶体管的第一集电极的第一漏极；
第二双极晶体管，包括耦合至所述储能器电路的第二端子的第二集电极；以及
第二场效应晶体管，包括耦合至所述第二双极晶体管的第二基极的第二源极和耦合至所述储能器电路的第一端子的第二栅极，其中所述第二场效应晶体管包括耦合至所述第二双极晶体管的第二集电极的第二漏极。
16.根据权利要求15所述的振荡器，进一步包括电流源，所述电流源具有耦合至所述第一双极晶体管的第一发射极和耦合至所述第二双极晶体管的第二发射极的第一端子。
17.根据权利要求16所述的振荡器，其中，所述电流源包括电流镜。
18.根据权利要求16所述的振荡器，其中，所述电流源包括耦合在所述电流源的第一端子与第一参考节点之间的电阻器。
19.根据权利要求15所述的振荡器，其中，所述储能器电路包括：
第一电感器，耦合在所述储能器电路的第一端子与电源节点之间；
第二电感器，耦合在所述储能器电路的第二端子与所述电源节点之间；以及
可调电容器，耦合在所述储能器电路的第一端子与所述储能器电路的第二端子之间。
20.根据权利要求19所述的振荡器，其中，所述可调电容器包括：
第一变容二极管，耦合在所述储能器电路的第一端子与调节节点之间；以及
第二变容二极管，耦合在所述储能器电路的第二端子与所述调节节点之间。
21.根据权利要求15所述的振荡器，其中，所述第一场效应晶体管和所述第二场效应晶体管包括n沟道金属氧化物半导体器件。
22.一种操作振荡器的方法，所述方法包括：
在储能器电路的端子处产生振荡信号，所述产生包括施加电流至耦合至储能器电路的振荡器核心，所述振荡器核心包括耦合至所述储能器电路的多个交叉耦合的混合晶体管，其中所述多个混合晶体管中的每个混合晶体管包括双极晶体管和场效应晶体管，所述场效应晶体管具有耦合至所述双极晶体管的基极的源极，以及所述场效应晶体管的漏极耦合至所述双极晶体管的集电极或耦合至恒定参考电压。
23.根据权利要求22所述的方法，进一步包括，经由所述储能器电路中的可调电容器和可调电感器中的至少一个而调节所述振荡器。
24.根据权利要求22所述的方法，其中，所述产生振荡信号进一步包括，使用所述振荡器核心提供负性电阻。
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