CN1524335A - 振荡器 - Google Patents

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Abstract

一种将第一差分振荡器频率锁定于第二差分振荡器的方法及其电路和安排。所述方法包括AC耦合第一差分振荡器的基频AC接地与第二差分振荡器的基频AC接地。

Description

振荡器
技术领域
本发明涉及振荡器，更具体而言，涉及将两个或多个振荡器锁在一起，特别是差分振荡器。
背景
振荡器被用于大多数类型的电子电路中。在一些应用中，频率精度和稳定性具有较小的重要性，在其它应用中，振荡器具有有很低相位噪声的纯频谱是极其重要的。这些要求被定得很高的一种类型的应用是在通信系统中。通信系统中的振荡器常常被看作构件块，其应当是小的，优选为集成的，具有低制造成本，是可靠的，具有低功耗，并且亦满足最严格的信号质量要求。在许多通信系统中，需要振荡器信号的四个正交的相位(正交)，从而需要进一步的功率和空间消耗电路。获得这些特征是困难的任务，特别是如果振荡器构件块要在具有可用的有限半导体面积和有限的可用功率而没有任何外部部件的集成电路上实现。
已经有过几次尝试以认真对待这些矛盾但很理想的振荡器质量。改进振荡器相位噪声的一种方式是将两个振荡器锁在一起。这在传统上导致了加倍的所需半导体面积，该面积不仅要避免振荡器的谐振器相互对接，而且要为将它们锁在一起所需的附加电路留出空间。与附加的振荡器不同，这个附加的电路将增加构件块的总功耗。增加的功率和增加的占用面积对于便携的、通常用电池供电的通信设备如蜂窝电话是特别不理想的振荡器构件块特征。看起来仍存在改进振荡器构件块的余地。
概述
本发明的目的是限定一种减小振荡器的特别是差分振荡器的相位噪声的方法。
本发明进一步的目的是限定一种建立具有精确的四个正交相位的振荡器电路的方法。
本发明仍进一步的目的是限定一种具有四个正交相位的振荡器，其具有低相位噪声。
上述目的是依照本发明通过锁定第一差分振荡器与第二差分振荡器的方法以及其电路和安排而实现的。所述方法包括AC耦合第一差分振荡器的基频AC接地与第二差分振荡器的基频AC接地。
上述目的进一步依照本发明通过包括至少两个差分振荡器的振荡器电路而实现。每个差分振荡器包括至少一个基频AC接地点。依照本发明，振荡器电路包括差分振荡器之一的至少一个基频AC接地点之一和另一个差分振荡器的至少一个基频AC接地点之一之间的至少一个AC耦合。
上述目的亦依照本发明通过包括第一差分振荡器和第二差分振荡器的振荡器电路而实现。第一差分振荡器包括至少一个基频AC接地点。第二差分振荡器包括至少一个基频AC接地。第一差分振荡器和第二差分振荡器具有基本上相同的基频。依照本发明，振荡器电路包括第一差分振荡器的至少一个基频AC接地点之一和第二差分振荡器的至少一个基频AC接地点之一之间的第一AC耦合，由此将第一差分振荡器锁定于第二差分振荡器。
有利的是，振荡器电路包括第一四倍频输出，该第一四倍频输出被耦合于第一AC耦合。合适地，第一差分振荡器和第二差分振荡器基本上相同。合适地，第一AC耦合处于第一差分振荡器的第一基频AC接地点和第二差分振荡器的第一基频AC接地点之间，所述诸第一基频AC接地点是相同的基频AC接地点。
合适地，振荡器电路包括四个基频输出，这四个基频输出处于正交。
在一些实施例中，振荡器电路包括处于第一差分振荡器的第二基频AC接地点和第二差分振荡器的第二基频AC接地点之间的第二AC耦合，所述诸第二基频AC接地点是相同的基频AC接地点。振荡器电路可包括第二四倍频输出，该第二四倍频输出被耦合于第二AC耦合，第一和第二四倍频输出是差动的。
在一些实施例中，振荡器电路包括第三差分振荡器，其至少具有第一基频AC接地点。合适地，第一AC耦合被进一步AC耦合于第三差分振荡器的第一基频AC接地点，或者振荡器电路包括处于第一差分振荡器的第二基频AC接地点和第三差分振荡器的第二基频AC接地点之间的第二AC耦合，所述第二基频AC接地点是相同的基频AC接地点，并且与第一基频AC接地点分离。有利的是，第三差分振荡器具有基本上与第一和第二差分振荡器相同的基频，或者具有基本上是第一和第二差分振荡器的基频的两倍频率的基频。
在一些实施例中，振荡器电路包括第四差分振荡器，其至少具有第一基频AC接地点。有利的是，第一AC耦合被进一步AC耦合于第四差分振荡器的第一基频AC接地点，或者振荡器电路进一步包括处于与第一基频AC接地点分离的第二差分振荡器的基频AC接地点和第四差分振荡器的对应的基频AC接地点之间的第三AC耦合。
合适地，第四差分振荡器具有这样的基频，其基本上是第一和第二差分振荡器的基频的频率；或者具有这样的基频，其基本上是第一和第二差分振荡器的基频的两倍的频率；或者具有这样的基频，其基本上是第三差分振荡器的基频的两倍的频率。
合适地，两个基频AC接地点之间的一个AC耦合进一步通过AC阻抗元件耦合于电压源或通过AC阻抗元件耦合于接地。
有利的是，两个基频AC接地点之间的一个AC耦合是直接耦合、电阻性耦合或电容性耦合。
上述目的进一步依照本发明通过一个通信单元而实现，该通信单元包括依照任何一个上述实施例的振荡器电路。
上述目的亦依照本发明通过将第一差分振荡器频率锁定于第二差分振荡器的方法而实现。依照本发明，该方法包括将第一差分振荡器的基频AC接地与第二差分振荡器的基频AC接地进行AC耦合。
通过依照本发明提供差分振荡器，获得了优于现有技术的多个优点。本发明的主要目的是提供改进的差分振荡器，其具有处于正交的高质量信号输出。这是依照本发明通过AC耦合差分振荡器的基频AC接地点以将其频率锁定在一起而获得的。通过依照本发明将两个或多个差分振荡器锁在一起，每个振荡器的相位噪声被减小了多达3n dB，其中2n是被耦合的振荡器的数量。此外，一对差分振荡器以这两个振荡器的输出处于正交的方式来锁定。还有，两个被连接的差分振荡器之间的耦合点处的主残余频率分量是基频的四倍，由此提供了倍频。
通过依照本发明将两个差分振荡器耦合在一起，实现了正交输出并且相位噪声可被减小3dB，而无需占用更多的空间或消耗用于耦合的任何额外功率。
从详述来看，本发明的其它优点将变得明显。
附图简述
为了说明的目的而不是为了限制，现在将参照下图来详述本发明，在下图中
图1示出差分振荡器的示意图，
图2示出依照本发明的一个基本实施例耦合在一起的两个差分振荡器的示意图，
图3A-3C示出依照本发明的不同实施例耦合在一起的两个差分振荡器的示意图，
图4示出依照本发明以星形配置耦合在一起的四个差分振荡器的方块图，
图5示出依照本发明以串联配置耦合在一起的四个差分振荡器的方块图，
图6示出依照本发明耦合在一起的三个差分振荡器的方块图，
图7示出依照本发明耦合在一起的四个差分振荡器的方块图。
详述
为了明确依照本发明的方法和装置，现在将结合图1到7来描述其使用的一些实例。
图1示出差分LC振荡器的实例。差分LC振荡器包括谐振电路，其具有电容器部分C3、C4和电感器部分L1、L2。这个实例的LC振荡器是并联谐振类型。差分LC振荡器进一步包括驱动部分，其具有晶体管T1、T2，电阻器R1、R2、R3和电容器C1、C2。
谐振频率，即LC振荡器将要振荡的频率，其基频，由fo＝1/(2·π·(L·C)1/2)近似给出，其中L是谐振器的感抗而C是谐振器的电容。在并联谐振中，如在该实例中，谐振电路的阻抗是高的，另一方面，如果它是串联谐振LC振荡器，则当串联谐振电路具有低阻抗时将发生谐振。
谐振器的电容器部分C3、C4被说明为分成两个电容器C3和C4。谐振器的电感器L1、L2亦被说明为分成两个电感器L1和L2，这亦可被看作单中心分接电感器。这样假定之后，如果由于差分振荡器的对称性而使L1＝L2且C3＝C4，则该差分并联谐振LC振荡器的基频可被近似为fo＝1/(2·π·(L1·C3)1/2)。谐振器的电容器部分C3、C4被分成两个电容器以建立基频AC接地点140。谐振器的电感器L1、L2被分成两个电感器L1和L2以由此建立对该实例必要的DC偏置点150，其亦用作基频AC接地点。差分LC振荡器进一步包括一个基频AC接地点130和两个组合的基频AC接地和DC偏置点110、120。基频AC接地点是差分振荡器的基频由于该差分振荡器的对称性而被有效抵消的点。基频AC接地进一步包括仅奇数谐波，即基频的偶倍数，第一谐波通常是优势谐波。
本发明基于以下基本发明思想：将一个差分振荡器的一个基频AC点AC耦合于另一个差分振荡器的一个基频AC点以由此让两个差分振荡器竞争(strive)以抵消经AC耦合的基频AC接地点处的优势谐波。差分振荡器将竞争以抵消优势谐波的原因是经AC耦合的点是AC接地点。差分振荡器将因此有90°的相位差(能抵消优势谐波)，即处于正交，并且有相同的频率。每个差分振荡器提供0°和180°，这些将相隔90°，由此从两个被耦合的差分振荡器提供0°、90°、180°和270°，这些相位在不同类型的设备中是很有用的，特别是通信设备。留在耦合点的优势频率将是差分振荡器基频的四倍，除非有二倍频率可以是优势频率的弱AC耦合。该频率可被分接并使用，由此频率以简单的方式倍增。优选地，待依照本发明频率锁定的相同频率的两个或多个差分振荡器之间的频率差应仅在频率上相差10％或以下的量级。
本发明不局限于使用并联或串联谐振LC振荡器，也不局限于固定频率或可调谐的振荡器，本发明对所使用的振荡器的仅有限制是它们每个都必须具有至少一个基频AC接地点。
图2示出依照本发明的一个基本实施例耦合在一起的两个差分振荡器的示意图。每个差分LC振荡器都包括谐振电路部分，其具有相应的电容器部分C3、C4、C3’、C4’以及相应的电感器部分L1、L2、L1’、L2’。每个差分LC振荡器进一步包括驱动部分，其具有晶体管T1、T1’、T2、T2’，电阻器R1、R1’、R2、R2’、R3、R3’和电容器C1、C1’、C2、C2’。
每个差分振荡器包括第一210、211，第二220、221，第三230、231，第四240、241和第五250、251基频AC接地点。这个基本实例通过AC耦合元件290将第二基频AC点220、221相互耦合。AC耦合元件290可以是电容性、电阻性、直接耦合的，等等。如果有弱AC耦合，则第一谐波可能不被完全抵消。被耦合在一起的差分振荡器的基频AC接地点优选为相同类型的点以使被耦合的点具有相同的振幅。否则在耦合中，可能需要某种匹配。由于第二基频AC点220、221亦是差分振荡器的DC偏置点，这些点亦通过DC耦合元件271耦合于DC偏置点270。DC耦合元件可适当地为电阻性、感应性或直接耦合的。
当差分振荡器已被频率锁定时，则理想的是第一谐波(2fo)将已在被AC耦合的基频AC接地点处被完全抵消。其它基频AC接地点将仍存在第一谐波，并且它们在两个差分振荡器之间将是差动的。在该实例中，第三基频AC接地点230、231可以作为2fo差分输出。
图3A到3C示出依照本发明被锁定的差分振荡器的适当实施例。每个差分LC振荡器都包括谐振电路部分，其具有相应的电容器部分C3、C4、C3’、C4’以及相应的电感器部分L1、L2、L1’、L2’。每个差分LC振荡器进一步包括驱动部分，其具有晶体管T1、T1’、T2、T2’，电阻器R1、R1’、R2、R2’、R3、R3’和电容器C1、C1’、C2、C2’。此外，每个差分振荡器包括第一310、311，第二320、321，第三330、331，第四340、341和第五350、351基频AC接地点。
图3A示出第二基频AC接地点320、321如何被直接耦合在一起。这些基频AC接地点320、321也是差分振荡器的DC偏置点。因此，需要DC偏置370，其借助电感器373而适当地连接于基频AC接地点320、321，所述电感器是好的DC耦合元件但为AC阻塞元件。
图3B示出第三基频AC接地点330、331如何通过AC耦合元件，电容器393耦合在一起。这些基频AC接地点330、331不是差分振荡器的DC偏置点。因此，此处不需要DC偏置。
图3C示出在该第三实例中，第四基频AC接地点340、341如何被直接耦合在一起。这些基频AC接地点340、341也不需要任何DC偏置。第四基频AC接地点340、341是通过将谐振器的电容器分成两个电容器C3、C3’、C4、C4’而建立的。所述两个电容器合适地为相等大小。
如以上所述，亦有可能将不同的基频AC接地点耦合在一起，例如耦合第一差分振荡器的第一基频AC接地点与第二差分振荡器的第二基频AC接地点。然而，在这些情况下，必须额外注意以例如匹配振幅。亦有可能将多于一对的基频AC接地点耦合在一起，例如耦合第一差分振荡器的第一基频AC接地点与第二差分振荡器的第一基频AC接地点并且耦合第一差分振荡器的第二基频AC接地点与第二差分振荡器的第二基频AC接地点。亦可以有借助其相应基频AC接地点耦合在一起的多于两个的差分振荡器。
图4示出以星形配置依照本发明锁在一起的四个差分振荡器410、420、430、440的实例，即每个差分振荡器410、420、430、440的基频AC接地点412、422、432、442被AC耦合在一起450。如果所使用的基频AC接地点也是DC偏置类型，则可能需要DC偏置阻抗460以及DC偏置点462。在类似于这样的星形配置中，有可能获得八个均匀间隔的不同相位。在类似于这样的星形配置中，更多或更少的差分振荡器可被频率锁定在一起。应注意，差分振荡器可使用相同的基频AC接地点以便于AC耦合于两个或多个其它差分振荡器。
图5示出以串联配置依照本发明锁在一起的四个差分振荡器510、520、530、540的实例，即借助基频AC接地点512、514、522、524、532、534、542、544，任何差分振荡器510、520、530、540不与多于两个的其它差分振荡器510、520、530、540 AC耦合在一起。在该实例中，第一差分振荡器510的第二基频AC接地点514与第二差分振荡器520的第二基频AC接地点524 AC耦合551在一起。第二差分振荡器520的第一基频AC接地点522与第三差分振荡器530的第一基频AC接地点532 AC耦合552在一起。并且第三差分振荡器的第二基频AC接地点534与第四差分振荡器540的第二基频AC接地点544 AC耦合553在一起。任选的DC偏置阻抗515、525、535与对应的DC偏置点516、526、536在图中被示出。在类似于这样的串联配置中，更多或更少的差分振荡器可被频率锁定在一起。
不是所有依照本发明耦合在一起的差分振荡器都需要具有相同的频率。如果具有相同频率的两个或多个差分振荡器要被耦合在一起，则它们应优选地在频率上仅相差10％或以下的量级。但依照本发明，具有基本基频整数倍的基频的差分振荡器可被频率锁定在一起。
图6示出依照本发明的星形配置中的多频率锁定的第一实例。有对应基频AC接地点612、632的两个差分振荡器610、630具有基频fo。当将基频AC接地点612、632 AC耦合在一起650时，则第一谐波(2fo)在公用点650处被抵消，并且该点650处的剩余优势频率是基频的四倍(4fo)。以其它差分振荡器610、630频率的两倍(2fo)而振荡的差分振荡器620将在其基频AC接地点622处具有一个优势频率，其是其它差分振荡器610、630的基频的四倍(4fo)。通过在这个二倍频差分振荡器中进行耦合，基频AC接地点的优势四倍频率(4fo)将抵消，在该过程中调节差分振荡器610、620、630的相位。耦合点处的优势频率然后将是基频(fo)的八倍(8fo)，其是可被使用的有效倍频器。可能需要某种信号电平适配以调节差分振荡器610、620、630的基频AC接地点处的谐波频率信号电平的任何差异。图示出了当所使用的基频AC接地点也是DC偏置类型时，可能需要的DC偏置阻抗660以及DC偏置点662。
图7示出依照本发明的星形配置中的多频率锁定的第二实例。如以上针对图6所描述的，该实例亦包括有基本(fo)基频的两个差分振荡器710、730，以及有二倍基频(2fo)的一个差分振荡器720。在该实例中，有四倍基频(4fo)的第四差分振荡器740亦被频率锁定。所有差分振荡器都包括其对应的基频AC接地点712、722、732、742，它们在单个点750上被AC耦合在一起。四倍频(4fo)差分振荡器740将在其基频AC接地点742处具有基本频率(fo)的八倍(8fo)的优势频率。这将用来自其它三个差分振荡器710、720、730的优势频率抵消，从而在耦合点750处剩下基本频率(fo)的十六倍(16fo)的优势频率。如果需要，这个频率当然可被使用。示出了当所使用的基频AC接地点也是DC偏置类型时，可能需要的DC偏置阻抗760以及DC偏置点762。
依照本发明，作为通信系统中的构件块的振荡器优选地在集成电路上被实现并且优选地没有任何外部部件。
本发明的基本原理是通过相互耦合差分振荡器的基频AC接地点，将差分振荡器频率锁定于彼此。这将降低相位噪声，提供正交相位输出，并且提供倍频，而不增加任何运转中的耦合设置的功耗。
本发明不局限于上述实施例，而是可以在以下权利要求的范围内改变。

Claims (26)

1.一种振荡器电路，包括第一差分振荡器和第二差分振荡器，第一差分振荡器包括至少一个基频AC接地点，第二差分振荡器包括至少一个基频AC接地，第一差分振荡器和第二差分振荡器具有基本上相同的基频，特征在于振荡器电路包括第一差分振荡器的至少一个基频AC接地点之一和第二差分振荡器的至少一个基频AC接地点之一之间的第一AC耦合，由此将第一差分振荡器锁定于第二差分振荡器。
2.依照权利要求1的振荡器电路，特征在于振荡器电路包括第一四倍频输出，该第一四倍频输出被耦合于第一AC耦合。
3.依照权利要求1或2的振荡器电路，特征在于第一差分振荡器和第二差分振荡器基本上相同。
4.依照权利要求3的振荡器电路，特征在于第一AC耦合处于第一差分振荡器的第一基频AC接地点和第二差分振荡器的第一基频AC接地点之间，所述诸第一基频AC接地点是相同的基频AC接地点。
5.依照权利要求4的振荡器电路，特征在于振荡器电路包括四个基频输出，这四个基频输出处于正交。
6.依照权利要求4或5的振荡器电路，特征在于振荡器电路包括处于第一差分振荡器的第二基频AC接地点和第二差分振荡器的第二基频AC接地点之间的第二AC耦合，所述诸第二基频AC接地点是相同的基频AC接地点。
7.依照权利要求6的振荡器电路，特征在于振荡器电路可包括第二四倍频输出，该第二四倍频输出被耦合于第二AC耦合，第一和第二四倍频输出是差动的。
8.依照权利要求4的振荡器电路，特征在于振荡器电路包括具有至少第一基频AC接地点的第三差分振荡器。
9.依照权利要求8的振荡器电路，特征在于第一AC耦合被进一步AC耦合于第三差分振荡器的第一基频AC接地点。
10.依照权利要求8的振荡器电路，特征在于振荡器电路包括处于第一差分振荡器的第二基频AC接地点和第三差分振荡器的第二基频AC接地点之间的第二AC耦合，所述诸第二基频AC接地点是相同的基频AC接地点，并且与第一基频AC接地点分离。
11.依照权利要求8-10的任何一个的振荡器电路，特征在于第三差分振荡器具有基本上与第一和第二差分振荡器相同的基频。
12.依照权利要求8-10的任何一个的振荡器电路，特征在于第三差分振荡器具有基本上是第一和第二差分振荡器的基频的两倍频率的基频。
13.依照权利要求8-12的任何一个的振荡器电路，特征在于振荡器电路包括至少具有第一基频AC接地点的第四差分振荡器。
14.依照权利要求13的振荡器电路，特征在于第一AC耦合被进一步AC耦合于第四差分振荡器的第一基频AC接地点。
15.依照权利要求13的振荡器电路，特征在于振荡器电路进一步包括处于与第一基频AC接地点分离的第二差分振荡器的基频AC接地点和第四差分振荡器的对应的基频AC接地点之间的第三AC耦合。
16.依照权利要求13-15的任何一个的振荡器电路，特征在于第四差分振荡器具有这样的基频，其基本上是第一和第二差分振荡器的基频的频率。
17.依照权利要求13-15的任何一个的振荡器电路，特征在于第四差分振荡器具有这样的基频，其基本上是第一和第二差分振荡器的基频的两倍的频率。
18.依照权利要求13-15的任何一个的振荡器电路，特征在于第四差分振荡器具有这样的基频，其基本上是第三差分振荡器的基频的两倍的频率。
19.依照权利要求1-18的任何一个的振荡器电路，特征在于两个基频AC接地点之间的一个AC耦合进一步通过AC阻抗元件耦合于电压源。
20.依照权利要求1-18的任何一个的振荡器电路，特征在于两个基频AC接地点之间的一个AC耦合进一步通过AC阻抗元件耦合于接地。
21.依照权利要求1-20的任何一个的振荡器电路，特征在于两个基频AC接地点之间的一个AC耦合是直接耦合。
22.依照权利要求1-20的任何一个的振荡器电路，特征在于两个基频AC接地点之间的一个AC耦合是电阻性耦合。
23.依照权利要求1-20的任何一个的振荡器电路，特征在于两个基频AC接地点之间的一个AC耦合是电容性耦合。
24.一种振荡器电路，包括至少两个差分振荡器，每个差分振荡器包括至少一个基频AC接地点，特征在于振荡器电路包括差分振荡器之一的至少一个基频AC接地点之一和另一个差分振荡器的至少一个基频AC接地点之一之间的至少一个AC耦合。
25.一种通信单元，特征在于该通信单元包括依照权利要求1到24的任何一个的振荡器电路。
26.一种将第一差分振荡器频率锁定于第二差分振荡器的方法，特征在于该方法包括将第一差分振荡器的基频AC接地与第二差分振荡器的基频AC接地进行AC耦合。
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