CN1347590A - 用于通信集成电路的多频率低功率振荡器 - Google Patents

Abstract

一种用于提供一个第一振荡器信号的振荡器电路,它配置着互连成环形并具有其电源电压端子的诸个延时单元。诸个延时单元具有共通的电源电压端子时,从各共通电源电压端子上可得到一个第二振荡器信号。该第一环形振荡器信号能以正交形式得到,使振荡器电路提供一个低功耗的低频率信号。可同时产生出两个高度正弦形的振荡器信号,其频率之比值取决于振荡器电路中延时单元的数目。该振荡器电路能容易地在有限的芯片面积上实现,供工作于GHz范围内的发射机/接收机应用。

Description

用于通信集成电路的多频率低功率振荡器

本发明涉及一种由配置着具有其电源电压端子之诸延时单元组成的振荡器电路，诸延时单元以环形互连，提供一个振荡器信号。

本发明还涉及如权利要求书6、7、8和9项中分别提出的一个压控振荡器(VCO)、一个锁相环路(PLL)、一个集成电路(IC)和一个通信装置。

DE-OS-3634594中公开了一个图1上所示的那种多频率振荡器，它提供一个第一振荡器信号f(0)，而附加的各振荡器信号频率(f)是借助于对环形布置的互连式延时单元中诸抽头的一种可控切换导得的。这样一种延伸的振荡器其运行比较慢，消耗功率多，不太适合于很高频率的通信中应用。

在上述权利要求书序言中确认的一种振荡器电路公开于US-A-5,844,447中。该已知的振荡器电路中包括一个第一环形振荡器和一个第二环形振荡器，前者具有连接至一个第一缓冲级的倒相器，后者具有连接至一个第二缓冲级的延时单元。每个延时单元由一个PMOS晶体管和一个NMOS晶体管组成，它们易于完全集成于一个芯片上。第一缓冲级输出端产生一个高频率的第一波形，第二缓冲级输出端产生一个较低频率的第二波形。通常地已知，一个环形振荡器可达到的最大振荡频率反比于那里的延时单元数目。然而，这就限制了具有若干个此种延时单元的环形振荡器使用于GHz范围内的应用能力，而GHz范围在现今的通信装置中是很普通的，尤其在移动电话、寻呼机等通信装置中。此外，这些装置的功耗随着用户频率的增高而增加。所以，这些已知的环形振荡器电路较不适合应用于在很高频率范围上工作的电路中。

然而，本发明的一个目的是提供一种性能价格比高的振荡器电路，它结构简单，易于集成在小的芯片面积上，适合于GHz范围应用，而其功耗十分低。

本发明之振荡器电路的特征在于，诸延时单元具有共通的电源电压端子，电源电压端子通过耦合装置连接至电源上，用于自各别的共通电源电压端子上提供出导得的再一个振荡器信号。

本发明的一个优点在于，振荡器电路工作于比较低的振荡器信号频率上，而再一个振荡器信号频率可合成得比较高。然而，较低的工作频率决定了功耗的降低，这对于移动设备和通信工具是特别重要的。实践中，很低的电流消耗可以配合以仅仅小量几伏的电源电压。应当指出，不同于常规的思想方式，所提出的方法始发于这样的概念，如果首先产生出了低频率的振荡器信号，则进一步的高频率振荡器信号之获得将是无偿的，不需要功率或者重大硬件。本技术领域内的熟练人员可以采用各种各样耦合装置。耦合装置中例如可以包含：一个电流源；一个电流计量或变换装置；一个或多个镜像电流或者一个阻抗单元(在最简单的场合下就是一个电阻单元)。

此外，本发明的振荡器电路甚至能同时给出两个振荡器信号，它们可具有不同的频率。这就简化了电路，减小了必需的集成电路芯片面积，使得其电路可特别地(但非必需地)专门有助于在可能的多级式双平衡型混频器电路中应用，诸如应用于超外差式发射机、接收机和/或收发信机中，就象是GSM(全球移动通信系统)，DECT(数字欧洲无绳电话)或寻呼机等方面。而且，本发明人确立了一种振荡器电路的组合，其中的再一个振荡器信号可达到的最高频率f_max不再如前面所指出地(反比例地)依赖于电路中所应用的延时单元的数目N。事实上，可得出的f_max甚至完全与N值无关。此外要指出，每个振荡器信号都是高度正弦形的，因而电源不受到尖峰脉冲式的供电负载，结果是新型的、本发明的振荡器电路工作稳定，不会停振静止。

本发明之振荡器电路的一个实施例其特征在于，偶数号码的延时单元都耦合至某个共通的电源端子上，而奇数号码的延时单元都耦合至另一个共通的电源端子上。其优点是，本发明的振荡器电路中保持了关系式f1＝N×f2成立，式中，f1是再一个高频率振荡器信号的频率，f2是低频率振荡器信号的频率。实践中，N为偶数，也即是2，4，6，8，……，可得到的可能频率比为可靠的整数值，它完全受延时单元数目N的控制，适合于各种各样的应用和频率。当N增加时，两个振荡器信号之间的频率差增大，使得一个更高地可达到的第一振荡器频率能够以较低的功耗组合出来，因为功耗是由较低的第二振荡器频率决定的。

按照本发明之振荡器电路的另一个实施例其特征在于，延时单元的数目N为偶数，等于或大于4。其优点是，能够以f1＝N×f2的关系式同时给出两个振荡器频率，其频率f1的振荡器信号以差分形式得到，频率f2的振荡器信号以正交形式得到。

按照本发明之振荡器电路的再一个实施例其特征在于，如果每个延时单元具有同一个传播延时δ，则适应于获得再一个振荡器信号频率f1，f1＝1/(2δ)。这样一个实施例中可取地具有相同的各个延时单元时，特别容易集成化，并可以在将δ做到非常小时给出一个非常高的频率f1。

最简单的实施例中，延时单元是一个倒相器，尤其是一个数字倒相器，这使得当N＝4，8，……时低频率振荡器信号能以正交形式得到，它特别适合于数字调制的超外差式发射机/接收机应用。

按照本发明的振荡器电路在一片IC面积上实施时的可能技术之一诸如采用GaAs或双极型管，已经证明CMOS是性能价格比最好的工艺。

现在，参考附图并结合附加的优点来进一步说明按照本发明的振荡器电路，附图上类同的部件借助相同的标号表示。各附图中：

图1示出一种已知的超外差式接收机，它具有一个先有技术的本地振荡器电路；

图2示出一个按照本发明之振荡器电路的基本示意图；

图3示出一个图2之振荡器电路可能实施例的一般化电路构成；以及

图4示出可供图3之振荡器电路中应用的一个延时单元的一种可能实施例。

图1示出一种先有技术的本地振荡器电路1，包含有一个压控振荡器(VCO)2，它连接至一个缓冲级/放大器3上，用以向端子f1给出一个第一高频率振荡器信号，缓冲级/放大器3再连接至一个分频电路4(分频比为M)上，又可能去到一个正交电路5上，用于输出一个正交的第二振荡器信号f2，它具有的频率低于第一振荡器信号的高频率。这样的电路1可以应用于例如是周知的超外差式收音机结构中，图1上示意地表示出具有一个天线和一些选通放大器A1-A4，其中，接收的无线电信号在两个混频级m1、m2或m1、m3内下变频到端子d1和d2上的基带数据或音频信号上。对这些混频级提供以两个振荡器信号f1和f2。电路1的电流消耗可以总括成包含下列电流分量：

   I_VCO(f1)+I_amp(f1)+I_div(f1)+I_q(f1/M)    (1)式中，位于括号之间的符号表明与高频率f1的依赖性。因此，f1愈高，电流消耗将愈大。当今的通信发生于GHz范围内，因而功耗大。

图2示出一个振荡器电路6的基本示意图，它的功耗显著地降低。这是因为，包括在电路6中的一个环形延时单元布置可振荡于一个比较低的频率f2上，较高的频率f2是从f1中简单地导出的。现在，取代图1中的电路1，电路6的电流消耗可以总括成包含下列电流分量：

                 I_VCO(f2)+I_amp(f2)由于该关系式中只有很少的分项，并由于两个分项都表明只与较低的频率f2有依赖性，所以总电流远小于关系式(1)中所表明的。

图3示出振荡器电路6之可能实施例的一个一般化电路图。电路6可以只有两个延时单元7(但那时仅能提供单一个振荡器输出信号)；如果有四个或更多(但为偶数值)的延时单元，则可以产生出具有不同频率的一些信号，其产生的方式将在后面说明。此类延时单元7在相关技术领域内通常是已知的，例如可如图4中所示地具体实现。延时单元7中可包含有晶体管，诸如GaAs或双极型管，但可取的是CMOS、PMOS和/或NMOS型管。在一种差分电路结构中，延时单元内包含一个尾端晶体管MO，它控制了包含有晶体管M1-M6、终接于端子Si上的两条并行支路。根据需要，M3和M4也可以省略。

图3上可解释图4(a)类型的延时单元7，其中，振荡器电路6中包含有形式上简单的电阻RL和RR的外部负载，电阻RL和RR分别连接至电源端子8和9上。通常，负载电阻可以是芯片上或者不在芯片上的耦合电路装置，诸如是一个电流源、一个电流计量或变换装置、一个或多个镜像电流、或者一个阻抗元件。端子8连接至奇数号码延时单元上，端子9连接至偶数号码延时单元上，两个端子8和9是通过各别的端子Si进行连接的。一条连接Pi(i＝1，……，N-1)使单元#i的一个倒相输出与单元#i+1的一个非倒相输入相连接，而连接Ni(i＝1，……，N-1)使单元#1的一个非倒相输出与单元#i+1的一个倒相输入相连接。然而，输出P_N连接至单元#1的非倒相输入端，输出N_N连接至单元#1的非倒相输入端。端子V_c、V_b1和V_b2对诸延时单元提供出控制电压。这样，环形振荡器电路6振荡在一个低的频率f2上，可从端子P_N和N_N上输出，而高的频率f1可从端子8和9上输出。关系式f1＝N×f2依然成立。事实上，电源端子8和9其每一个连续地将流经各别的延时单元的供电电流进行相加，因而它们之间的振荡器信号是以简单、较低功耗和高度正弦的方式在算术上合成的。P1、N1，P2、N2，……上的信号全都有相同的频率，但它们的相位互有差别。振荡器信号f1为差分形式，而f2能以正交形式得到；例如，如果N＝4，又若I和Q信号那时从延时单元输出端取出，则它们之间互相间隔N/2＝2个延时单元。所以，可以将两个振荡器信号不加修正地予以应用，诸如图1中所示那样地应用于超外差式收音机结构中。然而，即使在例如是一种低IF或者零IF结构场合下仅仅应用了高频率的信号，而由于低的振荡频率决定着功耗，所以仍然能够节省功率。

如图4中所示的尾端晶体管M₀，一般地应用它来调谐环形振荡器的振荡频率f2。做到这一点是借助于控制每个延时单元7中各别的MO晶体管栅板上的电压V_c。如果V_c增大，延时时间δ将减小，f2则增加，f1也增加。可以表明，端子8与9之间的信号可达到的最高频率f_max由下列关系式给出：

f_max＝1/(2δ_min)

式中，δ_min是所使用的延时单元的最小延时时间，又其中的f_max并不取决于延时单元的数目N。

通过给出的示例可指出，开发了一种压控振荡器电路，其中N＝4，在电源电压为2V下电流消耗仅328μA。这样一个VCO例如可应用于一个PLL中，诸如是前面说明的DE-OS-3634594内公开的PLL中。本技术领域内的熟练人员易于作出多种变型，诸如从端子Pi、Ni之其它或另外的组合中取出再又一个信号，或者由其它端子上从中导出f1。当然，这种振荡器可应用于各种各样的通信装置中，诸如是电话、移动电话、寻呼机、发射机、接收机、收发信机，它一般地集成于芯片上，例如可应用于VCO或PLL中。

Claims (10)

1.一种用于提供振荡器信号的振荡器电路，它配置着互连成环形并具有其电源电压端子的诸个延时单元，该振荡器电路的特征在于，诸个延时单元具有共通的电源电压端子，这类端子通过耦合装置连接至电源上，可在各共通电源电压端子上提供进一步的振荡器信号。

2.按照权利要求1的振荡器电路，其特征在于，偶数号码的延时单元连接至一个第一共通电源电压端子上，而奇数号码的延时单元连接至再一个共通电源电压端子上。

3.按照权利要求1或2的振荡器电路，其特征在于，延时单元的数目N为偶数，并等于或大于4。

4.按照权利要求1-3之一的振荡器电路，其特征在于，如果每个延时单元具有一个传播延时δ，它适用于提供再一个振荡器信号，其频率f1等于1/(2δ)。

5.按照权利要求1-4之一的振荡器电路，其特征在于，延时单元以一个倒相器来具体实施，特别是应用数字倒相器。

6.按照权利要求1-5之一的振荡器电路，其特征在于，振荡器电路以CMOS、GaAs或双极型管技术来实现。

7.配置有按照权利要求1-6之一内一个振荡器电路的一种压控振荡器。

8.配置有按照权利要求7中一个压控振荡器的一个锁相环路。

9.配置有按照权利要求1-6之一内一个振荡器电路、和/或按照权利要求7中一个压控振荡器、和/或按照权利要求8中一个锁相环路的一种集成电路。

10.配置有按照权利要求9中一个集成电路的一种通信装置，诸如是一个发射机、一个接收机尤其是一个超外差式接收机、一个移动电话、一个寻呼机、以及诸如此类通信装置。

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