CN1677840A

CN1677840A - 基于变容二极管的环形振荡器

Info

Publication number: CN1677840A
Application number: CN200510062596.9A
Authority: CN
Inventors: 亨明·奇恩
Original assignee: Zyray Wireless Inc
Current assignee: Broadcom Corp; Zyray Wireless Inc
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2005-03-28
Publication date: 2005-10-05
Anticipated expiration: 2025-03-28
Also published as: EP1583222A1; US7057466B2; TWI278129B; TW200603438A; US20050225404A1; CN100517951C

Abstract

本发明公开了产生输出信号的基于变容二极管的环形振荡器及其方法。该环形振荡器包括具有第一电极的第一相移电路。该环形振荡器还包括具有第二电极的第二相移电路以及具有第三电极的第三相移电路。第三相移电路的输出交叉耦合到第一相移电路的输入。环形振荡器的相移电路包括电极，该电极具有变容二极管并为相移电路产生相移。可以调节或者改变变容二极管以便调谐相移、相移电路和振荡器的频率。如果变容二极管处于振荡器的最终相移电路中，变容二极管耦合到为该变容二极管提供电压的二极管。将电压控制信号加到电极以及振荡器上，以便产生具有特定频率的输出信号。

Description

基于变容二极管的环形振荡器

技术领域

本发明涉及通信设备中的集成芯片或电路中的振荡器，具体地，本发明涉及用于通信设备(如无线设备)中、具有交叉耦合结构的三级或三个相移电路的振荡器。

背景技术

用于室内和建筑物内的网络及直接通信的无线通信的应用正在增长。在常规通信系统中，可在至少一个射频(RF)上调制并且发送数据。例如，收发信机可以接收RF调制信号并将该信号解调以重新获得数据。在无线应用中，数据被调制并通过无线网络传送到目的地，或用户设备。无线设备或用户设备接收该发射信号并将其解调。

不管是通信系统或设备，收发信机可以包括天线、滤波段、低噪声放大器、中间(IF)级和调制器/解调器。以下讨论接收机的例子。天线接收RF调制信号并将它们提供给滤波段。然后滤波段将感兴趣的RF信号传送到低噪声放大器。低噪声放大器可以将接收的感兴趣RF信号放大，并将该放大信号提供给IF级。IF级可以包括一个或多个本机振荡器、混频器或加法器，以将RF信号的频率降低到中频信号或基带信号。IF级将IF信号或基带信号提供给解调器。依据特定的协议、算法或方法，示例中的解调器可以将信号解调以重新获得传送数据。

接收机内部的组件可以使用来自本机振荡器的输出信号。振荡器尝试输出具有通信设备或系统所期望的特定频率的信号。一旦振荡器达到该特定频率，振荡器可以锁定在该频率上。如果振荡器的输出信号频率不是该特定的频率，则可通过反馈或其他方法调节该振荡器直到获得该特定频率为止。

环形振荡器可用于提供具有期望频率的输出信号。环形振荡器可以包括多个级或相移电路，每个级或相移电路均具有延时。该级也可称为延时单元。每一级可具有特定相移，振荡器内总的相移为360度(或360°)。由于具有两个或多个级，环形振荡器会产生更多的噪声同时引起相移误差。这些效应降低了输出信号质量，阻止振荡器达到期望频率，并对振荡应用产生不适当的频率范围。另外，振荡器每一级在将输出信号传送到解调器的过程中可能增加延时。

此外，利用电压—电流转换器，可以电流控制方式控制振荡器，该转换器将电压控制信号转换成电流信号，该电流信号反过来控制振荡器及其所产生的输出信号。换句话说，将控制电压加到转换器，该转换器将电流控制信号输出到振荡器。该转换器的附加组件可能增加该特殊振荡器中的噪声。

发明内容

根据优选实施例，公开了一种振荡器。该振荡器包括第一相移电路，该第一相移电路包括第一电极(pole)。振荡器还包括第二相移电路，该第二相移电路包括第二电极，第二相移电路的输入耦合到第一相移电路的输出。振荡器还包含第三相移电路，该第三相移电路含有第三电极，第三相移电路的输入耦合到第二相移电路的输出。第三相移电路的输出交叉耦合到第一相移电路的输入。第一、第二和第三电极中的至少一个包括变容二极管，以产生该第一、第二和第三电极中的至少一个的相移。

根据优选实施例，还公开了具有三级的环形振荡器。环形振荡器包含调谐输出信号频率的相移电路。环形振荡器还包含相移电路中的电极。电极包括为电极提供电容的变容二极管。

依照优选实施例，还公开了用于提供信号的电路。该电路包含电压源。电路还包括振荡器，该振荡器包括至少两个相移电路。最终相移电路交叉耦合到第一相移电路。电路还包括二极管，其耦合到至少两个相移电路中的最终相移电路中的电压源。电路还包括最终相移电路的电极中的变容二极管。变容二极管调谐由振荡器产生的信号的频率。

根据优选实施例，还公开了用于在环形振荡器中产生输出信号的方法。该方法包括将电压控制信号加到相移电路中的电极上。该方法还包括产生输出信号，该输出信号的频率取决于上述电极。该方法还包括根据上述电极在相移电路中产生相移。

根据优选实施例，还公开了用于产生输出信号的电路。该电路包括控制信号施加装置，用于将电压控制信号加到相移电路中的电极上。该电路还包括第一发生装置，用于产生输出信号，该输出信号的频率取决于上述电极。该电路还包含第二发生装置，用于根据上述电极在相移电路中产生相移。根据本发明的一个方面，提供了一种振荡器，包括：

第一相移电路，其包括第一电极；

第二相移电路，其包括第二电极，并且其输入耦合到所述第一相移电路的输出；以及

第三相移电路，其包括第三电极，并且其输入耦合到所述第二相移电路的输出，其中所述第三相移电路的输出交叉耦合到所述第一相移电路的输入。

其中所述第一电极、第二电极和第三电极中的至少一个包含变容二极管，以根据所述第一电极、第二电极和第三电极中的至少一个产生相移。

优选地，所述第一、第二或第三电极中的所述至少一个产生所述相移，所述相移包括交叉耦合相移中约1/3的相移。

优选地，该变容二极管包括n沟道金属氧化物半导体。

优选地，变容二极管包括Nwell结构的n沟道金属氧化物半导体。

优选地，变容二极管包括连接到所述第一、第二或第三电极中至少一个的电容。

优选地，该电容使得频率可以调谐。

依照本发明的一个方面，提供了具有三级的环形振荡器，该环形振荡器包括：

调谐输出信号频率的相移电路；以及

相移电路中的电极，其中该电极包括为电极提供电容的变容二极管。

优选地，环形振荡器还包括第一级和最终级，其中最终电极的输出交叉耦合到第一级的输入。

优选地，最终电极包括相移电路。

优选地，电极包括电阻。

优选地，变容二极管包括n沟道金属氧化物半导体。

依照本发明的一个方面，提供了一种用于提供信号的电路，该电路包括：

电压源；

振荡器，其包括至少两个相移电路，其中最终相移电路交叉耦合到第一相移电路；

二极管，其耦合到电压源和至少两个相移电路中的最终相移电路；以及

最终相移电路的电极中的变容二极管，其中变容二极管调谐由振荡器产生的信号的频率。

优选地，变容二极管包括n沟道金属氧化物半导体。

优选地，该变容二极管包括Nwell结构的n沟道金属氧化物半导体。

根据本发明的一个方面，提供了用于在环形振荡器中产生输出信号的方法，该方法包括：

将电压控制信号加到相移电路中的电极上；

产生输出信号，其频率取决于上述电极；以及

根据上述电极在相移电路中产生相移。

优选地，本方法还包括在相移电路上接收电压控制信号。

优选地，本方法还包括使用反馈信号以确定输出信号的频率。

优选地，本方法还包括根据反馈信号调节电极。

优选地，本方法还包括将电压控制信号加到另一个相移电路。

优选地，控制信号施加步骤包括将电压控制信号加到另一个相移电路中的另一个电极。

依照本发明的一个方面，提供了一种用于产生输出信号的电路，该电路包括：

控制信号施加装置，用于将电压控制信号加到相移电路中的电极上；

第一发生装置，用于产生输出信号，该输出信号的频率取决于所述电极；以及

第二发生装置，用于根据所述电极在相移电路中产生相移。

附图说明

图1示出根据优选实施例的具有交叉耦合振荡电路的收发信机；

图2示出根据优选实施例的相移电路；

图3示出根据优选实施例，用于在环形振荡器中产生输出信号的流程图；

图4A示出根据优选实施例的一个电极；

图4B示出根据优选实施例的另一个电极；

图5示出根据优选实施例的用于电极中的变容二极管。

具体实施方式

以下将结合附图，通过实施例对本发明做进一步详细描述。其中，相同的标号表示相同的元件。

图1示出根据优选实施例的具有交叉耦合振荡电路114的收发信机100。收发信机100可用于通信系统、设备、方法等，并且可以设置在无线通信设备中，通过无线网络或其他无线通信发送和接收信号。收发信机100可接收射频(RF)信号，并根据应用或业务类型对接收到的射频(RF)信号进行转换、调制或解调。以下通过RF接收机/发射机102接收信号的示例对收发信机100进行讨论。作为选择，收发信机100也可以通过RF发送机/接收机102发送信号。

根据示例，RF接收机/发送机102可以从另一个信号源接收信号。信号可以通过无线通信网络到达耦合在RF接收机/发射机102上的天线。RF接收机/发送机102可将接收到的RF信号转换成中频或基带信号，该信号对应用可以提供更大或增强的处理能力。

RF接收机/发送机102可将转换信号发送到中频(IF)组件104。IF频率组件104能够使振荡电路114产生具有特定或期望频率的输出信号116。IF组件104可以接收控制信号110，该控制信号110指定期望频率，并还可用作发起产生输出信号116的控制信号。控制信号110可以是电压信号，该电压信号还提供给转换器112。转换器112可以将控制信号110从电压信号转换成电流信号。振荡电路114不一定必需采用电流信号作为控制信号，而是可以在IF组件104内直接接收控制信号110。这样，转换器112可以移除，或者不用于产生输出信号116。作为选择，转换器112可产生加到振荡电路114的电流控制信号。

振荡电路114包括三级，这三级可以是相移电路。振荡电路114可包含相移电路120、122和124。相移电路120、122、和124也可称作延时单元。相移电路120产生相移132。相移电路122产生相移134。相移电路124产生相移136。相移电路120-124的结构可以这样：使相移电路124的输出交叉耦合到相移电路120的输入。相移130可以是由交叉耦合结构所产生的交叉耦合相移。例如，相移130可以近似等于180度。

在图1所示的交叉耦合结构中，相移电路120的正输出(OP)可以耦合到相移电路122的正输入(IP)。相移电路120的负输出(ON)可以耦合到相移电路122的负输入(IN)。这样，相移电路120的输出可以直接耦合到相移电路122的输入。另外，相移电路122的OP可以耦合到相移电路124的正向输入(IP)。相移电路122的ON可以耦合到相移电路124的IN。这样，相移电路122的输出可以直接耦合到相移电路124的输入。相应地，相移电路124的OP交叉耦合到相移电路120的IN。相移电路124的ON交叉耦合到相移电路120的IP。

如上所述，相移电路120、122和124可以产生相移132、134和136。相移132、134和136应近似等于交叉耦合相移130。交叉耦合相移130可产生近似180度相移。相移电路120、122和124中的每一个可产生近似60度的相移值。相移电路120、122和124是可以调节或调谐的，以产生相移132、134和136。振荡电路114的总相移应该近似等于360度。

振荡电路114可接收控制信号110。振荡电路114可对控制信号110作出响应，从而根据特定或期望频率产生输出信号。相移电路120、122和124增加相移132、134和136并且产生输出信号116。相移电路120、122和124可以在环形结构中交叉耦合(如上所述)。这样，输出信号116相对于控制信号或其它任何适用信号不应有相移。

调制器/解调器106可接收并使用输出信号116。IF组件104可使用输出信号116。另外，IF组件104可包括附加振荡电路114，该附加振荡电路114可产生多个输出信号116。附加振荡电路114最好是可调节或者可调谐的，以便为上述多个输出信号116提供不同的频率。

振荡电路114也可包括通过二极管126耦合到最终级(或相移电路124)的电压源(或Vdd)140。二极管126可耦合到振荡电路114中的最高级。振荡电路114的最高级可定义为最靠近输出的级。二极管126可将电源电压140耦合到振荡电路114的其它级，并不局限于最高级。二极管126可以是金属氧化物半导体(MOS)。另外，二极管126可以是P沟道MOS(PMOS)。

收发信机100可以在集成电路或芯片，例如用于无线通信的通信设备中的集成芯片上实现。另外，收发信机100可以工作在不同频率，以产生在给定频率范围内的输出信号116。该频率范围可以小于500MHz。更具体地，收发信机100可以在近似100MHz到200MHz的频率范围上(内)工作。

图2示出根据优选实施例的相移电路124。相移电路124可以通过图1所公开的相移电路124进行说明。然而，结合图2的相移电路124的公开并不限制图1。

相移电路124可位于振荡电路(如图1的振荡电路114)中。相移电路124也可称作振荡电路中的级或延时单元。相移电路124可以是振荡电路中的最高级和最终延时单元。例如，相移电路124可具有输出OP和ON，输出OP和ON交叉耦合到振荡电路第一级(如图1的相移电路120)的输入。

相移电路124包括二极管220，二极管220用作电源电压(或Vdd)222和偏压224的栅极。二极管220可以是任何常规二极管，但是最好是耦合到相移电路124的PMOS二极管。当相移电路124正在产生具有特定频率的输出信号(如输出信号116)时，电源电压222可以是加在二极管220上。

输入栅电极202和204也耦合到二极管220，并且也可接收输入到相移电路124的输入信号。输入信号可以来自不同的级或者相移电路。输入栅电极204可以从前一级接收IN信号。输入级202和204直接耦合到上一级(proceeding stage)的输出。输入栅电极202和204可以包括任何常规二极管、半导体材料、PN结等。输入栅电极202和204可以分别耦合到电阻206和208。电阻206和208可以包括接地290的电阻器。

相移电路124还包括变容二极管210和212。变容二极管210和212也可称为相移电路124中的“电极”。例如，电极230可包括变容二极管210。作为选择，电极230可包括耦合到变容二极管210的电阻器和/或电容器。另外，可以将电极230扩展为包括电阻206以及变容二极管210。无论如何，电极230可以是可调节的，以便调谐相移电路124的输出信号的频率。电极210还有利于在相移电路124产生相移。相移电路124还可包括接地290的电容214和216。电容214和216可包括常规电容器和用作电容器的其它任何组件。

电极230和240耦合到电压控制信号280。当相移电路124处于ON状态时，电压控制信号280可加到电极230和240上。这样，变容二极管210和212耦合到电压控制信号280。由于直接耦合到电压控制信号280，在振荡电路中可以不需要电压—电流转换及其相关联的组件。电压控制信号280的直接应用可以降低相移电路124和其它可用振荡电路内任何组件中的噪声。

变容二极管210可包括任何类型的变容二极管，如NMOS变容二极管。更具体地，变容二极管201可以是Nwell结构的NMOS。与其它类型的二极管相比，Nwell结构的NMOS可以经由相移电路124向振荡器提供更多的能量或增益。另外，变容二极管210可以使调谐的频率范围更宽、以及提供更高的电荷量(或Q)。这些改进可以降低噪声、提高相移电路124中的相位响应、以及降低振荡电路中的误差。

根据图2，相移电路124包括电极230和240。这样，图2公开了单电极结构的相移电路124。本发明还可包括附加电极，如两电极结构。相移电路124可使用一个电极来调节、改变或调谐相移电路124中的输出信号。例如，电极230可以为相移电路124提供60度相移。如果第二电极耦合到电极230，那么两个电极所产生的相移的总和可近似等于60度。

相移电路124示为振荡电路中的最终级，但是图2的相移电路可以应用到振荡电路中的任何级。例如，可将相移电路124和电极230应用到图1的振荡电路114的第一级或第二级。振荡电路的所有级可包括如图2中所公开的相移电路，该相移电路具有用于调谐的基于变容二极管的电极。

图3示出根据优选实施例在环形振荡器中产生输出信号的流程图。步骤302，在环形振荡器中接收电压控制信号。环形振荡器可包括相移电路(或级)。相移电路可包括电极。参考图1，环形振荡器包括三个相移电路，如振荡电路114。步骤304，将电压信号加到相移电路的相移电路中的电极上。步骤304并不局限于单相移电路中的单电极，而是可以将电压控制信号加到任何相移电路中的任何电极上。如上所公开的，电极可以位于最终相移电路中。同样如上所公开的，电极可以包括用于调节或改变输出信号频率的二极管。该二极管可包括变容二极管。

步骤306，在相移电路中产生输出信号。输出信号也可包括环形振荡器中其它相移电路所产生的部分。步骤308，根据相移电路中的电极产生输出信号的频率。优选地，该频率是在电压控制信号的作用下产生的指定或者期望的频率。电极尝试产生该频率的输出信号。步骤310，根据电极产生相移电路的相移。环形振荡器中的每个相移电路可具有各个电极所产生的相移，用于产生总的相移。

步骤312，利用输出信号中的反馈信息来确定并调节输出信号的不同参数。例如，可以分析所产生的频率和相移相对于输出信号的期望频率和相移的准确和接近程度。在此情况下的反馈信息可以包括反馈信号、被确定用于输出信号上的反馈信号的分数部分、等等。

步骤314，根据反馈信息调节输出信号。例如，如果输出信号的频率不在期望范围内，可以调谐或改变电极来调节输出信号及其频率。另外，如果相移不是可接受的，那么可以相应地调节输出信号。电极可包括变容二极管，调节变容二极管以改变输出信号及其相应部分。步骤316，将输出信号转发到与环形振荡器相耦合的其它部分。例如，可由无线通信应用中的解调器/调制器使用输出信号。

图4A示出根据优选实施例的电极400的电路结构。电极400与结合图2所公开的电极230和240相关联。电极400可以是根据本发明优选实施例的结构的一个示例。然而，电极400并不局限于所公开的电极230和240。

可以通过电压控制信号420作用于电极400以产生相移402。相移402可以结合其它的相移以产生总相移。电极400包括电阻404和变容二极管408。电阻404可以接地406。电阻404与变容二极管408相结合以便为相移402产生相移。变容二极管408可以是可调元件以便调节、改变或调谐电极400。

变容二极管408可以是n沟道金属氧化物半导体(NMOS)。或者，变容二极管408可以是p-n二极管或p沟道MOS。优选地，变容二极管408可以是具有NWELL结构的NMOS二极管。

参考图5，如优选实施例所公开，NMOS二极管500可具有NWELL结构。栅极504和N+接点502可以设置在NWELL506的顶部和内部。栅极504和接点502可以是NMOS二极管500的控制电极。通过在栅极504和NWELL506之间施加正电压，累积了表面电荷，从而NMOS二极管500电容近似等于氧化物电容。外加电压可以是反向的，从而可以耗尽表面电荷，使NMOS400的器件电容降低。这样，NMOS二极管500可以作为可变电容器，在电极中进行调谐操作和调节。

再回过来参考图4A，变容二极管408可以改变其电容以便调节相移402。通过使用结合图4所公开的NMOS二极管500，可以在设有电极400的相移电路中得到更好的Q(或充电)因数。另外，可以在更大的调谐范围内得到更好的噪声抑制。另一个特征是得到更大的最大电流—最小电流比，反过来，它又增大了调谐范围。因此，与常规振荡电路相比，设置了电极400的振荡电路，其性能、噪声抑制和充电因数都有提高。另外，变容二极管408中产生电流电荷的电压阈值维持在0或者近似接近0。阈值电压维持在0或者接近0可以改进电极400的性能，以使电压能够更好地适合前级或后级。例如，可将电压控制信号420加到振荡电路中的多级或电极。将阈值维持在0或者接近0可使电压信号420改进性能。

图4B示出根据公开的实施例的电极450的另一种电路结构。电极450产生相移452。电极450还包括电阻454和变容二极管456。变容二极管456可以与结合图4A所公开的变容二极管408相似。然而，变容二极管456中的电阻454可以与电极400中的不同。在图4B所公开的结构中，如果相移452可由变容二极管456调节或改变，电阻454可以不接地。电压控制信号420可作用于电极450以便产生相移452。

虽然所公开的变容二极管408和456是使用NWELL结构的NMOS，本发明的电极400和450也可以其它的二极管和结构来实现。例如，可用p-n二极管来调谐任何使用电极400或450的振荡电路。另外，变容二极管408或456可使用PWELL结构的PMOS，以便产生相移及降低振荡电路中的噪声。

这样，本领域的一般技术人员可以容易地理解可以使用不同顺序的步骤和/或与公开的不同的元件配置来实现以上讨论的本发明。因此，虽然已经基于这些优选实施例描述了本发明，对于本领域的技术人员而言，在维持本发明精神和保护范围的前提下，某些修改、变化和替代结构是显而易见的。为了确定本发明的边界和保护范围，因此，应该引用附加的权利要求及其等价物。

Claims

1.一种振荡器，包括：

第一相移电路，其包括第一电极；

第二相移电路，其包括第二电极，所述第二相移电路的输入耦合到所述第一相移电路的输出；以及

第三相移电路，其包括第三电极，所述第三相移电路的输入耦合到所述第二相移电路的输出，其中所述第三相移电路的输出交叉耦合到所述第一相移电路的输入；

其中所述第一、第二和第三电极中的至少一个包括变容二极管，所述变容二极管根据所述第一、第二和第三电极中的至少一个产生相移。

2.如权利要求1所述的振荡器，其中：所述第一、第二和第三电极中的所述至少一个产生所述相移，所述相移包括近似1/3的交叉耦合相移。

3.如权利要求1所述的振荡器，其中：所述变容二极管包括n沟道金属氧化物半导体。

4.具有三级的环形振荡器，所述环形振荡器包括：

相移电路，其调谐输出信号的频率；以及

所述相移电路中的电极，其中所述电极包括为所述电极提供电容的变容二极管。

5.如权利要求4所述的环形振荡器，其还包括第一级和最终级，其中：所述最终级的输出交叉耦合到所述第一级的输入。

6.用于提供信号的电路，所述电路包括：

电压源；

二极管，其耦合到电压源和所述至少两个相移电路中的所述最终相移电路；以及

所述最终相移电路的电极中的变容二极管，其中所述变容二极管调谐所述振荡器所产生的信号频率。

7.如权利要求6所述的电路，其中：所述变容二极管包括n沟道金属氧化物半导体。

8.用于在环形振荡器中产生输出信号的方法，所述方法包括：

将电压控制信号加到相移电路中的电极上；

产生输出信号，所述输出信号的频率取决于所述电极；以及

根据所述电极在所述相移电路中产生相移。

9.如权利要求8所述的方法，还包括在所述相移电路上接收所述电压控制信号。

10.用于产生输出信号的电路，所述电路包括：

第一发生装置，用于产生输出信号，所述输出信号的频率取决于所述电极；以及

第二发生装置，用于根据所述电极在所述相移电路中产生相移。