CN1708896A - 环形几何振荡器 - Google Patents
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Abstract
提供一种集成压控振荡器。集成压控振荡器包括具有两个端部的第一平板电感器和具有两个端部的第二平板电感器。第一振荡器芯与所述第一平板电感器的第一端及所述第二平板电感器的第二端连接，以及第二振荡器芯与所述第一平板电感器的第二端及所述第二平板电感器的第一端连接。按照这种方式，低损耗平板电感器提供振荡器谐振回路电感。
Description
优先权数据
本申请要求2002年10月18日提交的、名称为“Distributed ActiveTransformer Based Oscillators(基于分布式有源变换器的振荡器)”的美国临时申请No.60419607的优先权，将所述申请通过参考文件形式并入此处，用于所有目的。
技术领域
本发明涉及振荡器领域，尤其涉及集成高频压控振荡器(voltagecontrolled oscillator：VCO)。
背景技术
集成VCO是锁相环、时钟恢复电路、频率合成器以及通信系统所使用的其它电路中的基本构成模块。虽然已经对在有损耗衬底(比如硅或锗化硅)上制造高频VCO进行了尝试，但是用于实现振荡器振荡回路的电感器的低质量已经限制了此种振荡器的相位噪声性能。因为制作在同一衬底上的常规螺旋导体中的长金属线将会根据电感器所消耗的功率而产生损耗，所以振荡器振荡回路中的电感器质量低的主要原因是导电性的有损耗衬底。如果金属线宽，那么金属与衬底之间电容耦合将会泄漏一部分电路到衬底，吸收在金属线上传输的信号功率的很大一部分。另一方面，如果将所述金属线制作得足够窄，使得将前面的效应减小到一个小的水平，那么整个金属电阻将会明显增加，再次吸收信号功率的很大一部分。
发明内容
根据本发明，提供一种环形几何振荡器，所述环形几何振荡器能够利用高频振荡器克服现有的问题。
特别地，提供一种环形几何振荡器，所述环形几何振荡器使用平板电感器来减小信号损耗以及改善相位噪声性能。
根据本发明的一个典型实施例，提供一种集成的VCO。所述集成的VCO包括具有两个端部的第一平板电感器和具有两个端部的第二平板电感器。第一振荡器芯(core)与第一平板电感器的第一端部及第二平板电感器的第二端部相连，以及第二振荡器芯与第一平板电感器的第二端部及第二平板电感器的第一端部相连。按照此种方式，所述低损耗平板电感器提供振荡器振荡回路的电感。
本发明提供许多重要的技术优势。本发明的一个重要的技术优势是一种集成的高频VCO，所述VCO使用低损耗并且高Q值的平板电感器来提供振荡器振荡回路的电感，这减小了信号损耗以及改善了相位噪声性能。
在阅读了下面结合附图所做的详细描述之后，本领域普通技术人员将进一步意识到本发明的优点、突出的特征以及本法明其它重要的方面。
附图说明
图1A和图1B分别是根据本发明之典型实施例的环形几何VCO的示意图和布局图；
图2是具有典型互补振荡器电路的典型环形几何VCO的示意图；
图3A和图3B分别是根据本发明之典型实施例的具有振荡回路电容器的环形几何VCO的示意图和布局图；
图4A和图4B分别是根据本发明之典型实施例的具有交叉导体的环形几何VCO的示意图和布局图；
图5A和图5B分别是根据本发明之典型实施例的具有两个谐振振荡回路的环形几何VCO的示意图和布局图；
图6是示出环形几何单频率振荡器和VCO的两个制造模型的性能的图表；
图7是具有图6所示的特性的5.33GHz单频率模型环形几何振荡器的相位噪声与偏频之间的关系的示意图；
图8示出了具有图6所示的特性的5.36GHz模型环形几何VCO的电压到频率的转换函数；
图9示出了对于具有图6所示的特性的5.36GHz模型环形几何VCO在600kHz偏频上作为控制电压函数的测量的相位噪声；
图10是根据本发明之典型实施例的具有三个谐振振荡回路的环形几何振荡器1000；
图11是根据本发明之典型实施例的耦合的环形几何振荡器1100的示意图；和
图12是根据本发明之典型实施例的耦合的环形几何振荡器1200，其中每个具有双振荡器。
具体实施方式
在下面描述中，在整个说明书和附图中，相似的部分分别用相同的参考数字标记。附图可能不依比例绘出，并且为了清楚和简洁的目的，某些元件以通用或示意的形式示出且由商业名称识别。
图1A和图1B分别是根据本发明之典型实施例的环形几何VCO100的示意图和布局图。可以通过使用平板电感器以及使用多个振荡器芯来实施VCO 100，以提供明显较高的质量因子“Q”和改善相位噪声性能。
VCO 100包括振荡器102、104、106和108，其中这些振荡器经由平板电感器110、112、114和116相互连接。如同这里所使用的，术语“连接”及其同源术语“连接”和“被连接”可以包括通过导体或导电元件的连接，通过其它相关系统或元件的连接，或其它合适的连接。如图所示，振荡器102、104、106和108中的每个分别经由相关的接地连接102A、104A、106A和108A接地。同样地，平板电感器110、112、114和116中的每个分别具有相关电感，它们被模型化为电感器112A和112B、114A和114B、116A和116B以及118A和118B。
振荡器102、104、106和108可以作为仅NMOS交叉耦合振荡器、仅PMOS交叉耦合振荡器、互补交叉耦合振荡器、噪声漂移差分考必兹(Colpitts)振荡器或其它合适的振荡器来实现。在期望的工作振荡模式上，振荡器工作的一半工作在给定的相位处，而其另一半工作在相反的相位处。可以使用邻近的相反相位振荡器来产生虚拟AC接地和电源，使得电源和接地连接只承载DC电流，以避免在电源和接地连接处与衬底之间的电容耦合。平板电感器110、112、114和116可以被制造成为短且宽的，从而与常规螺旋电感器相比，能提供更低的损耗和更高的质量因子Q。平板电感器110、112、114和116可以是矩形，可以被弯曲，可以包括一个或两个转角(比如“L”形或“U”形)，或可以具有其它合适的结构。
图1B示出了具有与振荡器102、104、106和108耦合的平板电感器110、112、114和116的VCO 100的典型物理实施例。在本典型实施例中，短且宽的平板电感器被用来为每个振荡器提供振荡回路电感，从而提供更高的质量因子Q和更低的功率损耗。
在工作中，VCO 100使用短且宽的平板电感器来为四个振荡器中的每个提供振荡回路电感，所述四个振荡器以与其相邻近的那些振荡器相反的相位进行工作。可以使用合适的振荡器芯来提供振荡器102、104、106和108，从而提供给定应用的电压电平、相位噪声性能要求，或其它设计限制。按照这种方式，因为较高质量的电感器有助于提高振荡器的相位噪声性能，所以可以在有损耗衬底上设置高频压控振荡器。同样地，环形结构中的振荡器连接在每个角上形成虚拟AC接地，并且允许将几个振荡器的输出组合起来以降低它们对扰动的灵敏度，并由此提高它们的相位噪声性能。
图2是具有典型互补振荡器电路的典型环形几何VCO 200的示意图。VCO 200包括互补振荡器202、204、206和208，所示的这些振荡器中的每个接收电压源Vdd并且具有接地的稳定电流源。驱动与振荡器202、204、206和208中的每个耦合的平板电感器210、212、214和216，使得提供一个没有中心连接的稳定DC结构。根据直流观点，四个振荡器的结构表现为在一个环路中连接的四个锁存器。在期望的振荡模式上，平板电感器的中心点是一个虚地。这样，在直流中连接它们会抑制不期望的直流和寄生振荡模式，而不会对期望的振荡模式产生影响。
图3A和图3B分别是根据本发明之典型实施例具有振荡回路电容器的环形几何VCO 300的示意图和布局图。图3A示出了一个典型电路图，除了图1所示的电路元件之外，它还包括振荡回路电容器302、304、306和308。每个振荡回路电容器分别与相应的振荡器102、104、106和108并联放置，从而提供与振荡回路电感结合使用的振荡回路电容器芯。可以使用压控电容器来实现电容器振荡回路，由此能够实现对振荡器的频率调谐能力。在常规振荡器电路中，这种谐振电容器可以连接在交叉耦合的晶体管对的漏极或集电极之间。如果使用这种常规连接，随着所述交叉耦合的晶体管对的漏极或集电极之间的距离应所述很小以避免寄生电容，由于其几何特性，很难在漏极或集电极中使用短且宽的线性平板电感器。
另外，线圈310设置有输出端312，以允许将振荡器信号提供给输出端。在由平板电感器110、112、114和116形成的环路内的线圈310的这种结构形成了具有1∶1匝数比的变换器。所述1∶1变换器的主绕组是每个振荡器的输出电路，而次级绕组导体彼此串联且是输出端。这种变换器结构可以用来提供输出阻抗匹配，用来允许平衡或失衡工作，以为单个输出提供DC隔离和振荡器的功率组合，以及提供其它有用功能。另外，使用这种结构的VCO中的组合功率损耗低于使用常规螺旋变换器的VCO中的功率损耗。
在工作中，VCO 300允许通过使用作为变换器次级绕组工作的拾波环来提取振荡器信号，并且还为每对平板电感器端部提供附加的谐振电容器，其与相应振荡器并联放置。
图4A和图4B分别是根据本发明之典型实施例的具有交叉导体的环形几何VCO 400的示意图和布局图。除了前面针对VCO 100和300描述的电路元件之外，VCO 400示出了附加的导体402、404、406和408，这些导体被用来抑制不期望的工作模式。
如图4A所示，每个导体包括相关的电阻，比如对于导体402的电阻402A，对于导体404的电阻404A，对于导体406的电组406A，以及对于导体408的电阻408A。同样地，存在对于每个导体的相关电感，比如对于导体402的电感402B，对于导体404的电感404B，对于导体406的电感406B，以及对于导体408的电感408B。在期望的振荡模式上，平板电感器的中心点是虚地。在DC中连接它们抑制了不期望的DC锁存和寄生的振荡模式，同时不会对期望的工作模式产生影响。这是通过引入交叉导体402、404、406和408以对称的方式进行的，这些交叉导体与平板电感器的中心点相连。这短路了振荡器芯在低频和甚至谐波处的输出，这有助于避免DC锁存。另外，交叉连接利用小的阻抗来载入振荡器的输出，这降低了寄生振荡模式的启动增益。
图5A和5B分别是根据本发明之典型实施例的具有两个谐振振荡回路的环形几何VCO 500的示意图和布局图。除了前面针对VCO100、300和400描述的电路元件之外，VCO 500还包括在次级绕组的输出端之间的电容器502，用以提供两个谐振振荡回路。可以使用双分布式谐振振荡回路来升高振荡回路的质量因子“Q”。同样可以在主绕组的内部和外部设置附加的环路，以提供附加的谐振振荡回路、拾波环或其它合适元件。虽然添加更多的谐振振荡回路可以升高VCO 500的质量因子“Q”，但是实际局限性可能将数目限制到两个或三个谐振振荡回路。所述谐振电容器也可以被分解成几个串联的等效电容器，以保持对称，比如对VCO 500的每个电感为一个。所述电容器也可以或可替换地作为变容二极管来实现，以允许频率调谐，其中可以通过VCO的控制电压来实现所述调谐，可以将调谐技术组合以提供粗或细调谐电压，或使用其它合适的技术。
图6是示出环形几何单频率振荡器和VCO的两个制造模型的性能的图表。使用利用锗化硅工艺的0.18μm CMOS晶体管来实现振荡器。所述单频率振荡器具有5.3GHz的振荡频率，且VCO的中心频率为5.36GHz，且可进行8％的连续频率调谐。两种模型振荡器的输出功率为1dBm，以及对于单频率振荡器，源极电压是1.4V，对于VCO，源极电压是1.8V。单频率振荡器和VCO的偏置电流分别是10mA和12mA。并且在10Mhz偏频上测得的相位噪声分别是-147.3和-142.2dBc/Hz。由于变容二极管在较高频率上具有较差的质量因子，所以与VCO相比，固定频率的较低相位噪声是占优势的。
对于这些模型，由于其较高的振荡幅度和低的工作电压，选择的振荡器拓扑结构是互补交叉耦合振荡器。还利用线性编程来对所述振荡器进行优化。
图7是基于分布式有源变换器并具有图6所示的特性的5.33GHz单频率模型环形几何振荡器的相位噪声与偏频之间的关系的示意图。随着偏移频率的增加，相位噪声降低。应所述注意的是：图7中所示的频谱是单调降低的。与先前公布的对于在约4GHz的频率范围中工作的完全集成振荡器的相位噪声结果相比，所述振荡器的相位噪声性能得到显著地改善。
图8示出了具有图6所示的特性的5.36GHz模型环形几何VCO的电压到频率的转换函数。应所述注意的是：所述模型振荡器具有新颖的频率调谐能力和从0.6V到1.2V相对线性的电压转换函数特性。
图9示出了具有图6所示的特性的5.36GHz模型环形几何VCO、在600kHz偏频上随控制电压变化的测量的相位噪声。应所述注意的是：对于所述模型，相位噪声与控制电压的关系具有±1.5dB的变化，这表示了与现有技术振荡器相比，具有显著地改进，在现有技术振荡器中，对于不同的频率调谐条件，相位噪声更差。
图10是根据本发明之典型实施例的具有三个谐振振荡回路的环形几何振荡器1000。环形几何振荡器1000包括具有内部谐振振荡回路1002和外部谐振振荡回路1006的环形几何振荡器环1004。谐振振荡回路1002和1006具有分布电感和电容，并且可替换地，可以由变容二极管来取代上述电容，以提供附加的频率控制。同样地，可以使用合适数目的电容，为两个谐振振荡回路中的一个或两个提供输出，或者可以提供其它合适的特征，比如在此所描述的。
图11是根据本发明之典型实施例的耦合环形几何振荡器1100的示意图。耦合环形几何振荡器1100包括环形几何振荡器1102和环形几何振荡器1104，其中每个在相对角上具有单个振荡器。可以提供合理数量的角、电容器或变容二极管、耦合环形几何振荡器，以及提供合适的特征，例如在此所描述的那些。可以使用耦合环形几何振荡器来改善相位噪声性能，减小对于给定电感值的振荡器的死区，以及提供其他优点。
图12是根据本发明之典型实施例的耦合环形几何振荡器1200，其中每个具有双振荡器。在本典型的实施例中，虽然在环形几何振荡器1202和1204的每个上设置两个角振荡器，但是可以提供合理数量的角振荡器、耦合环形几何振荡器、谐振振荡回路、电容器或变容二极管以及其它合适特征，比如这里所描述的那样。
虽然在这里对本发明的系统和方法的典型实施例进行详细描述，但是本发明普通技术人员也应所述认识到：可以在没有背离所附权利要求的范围和精神的情况下，对系统和方法做出各种替换和修改。
Claims (30)
1、一种集成压控振荡器，包括：
具有两个端部的第一平板电感器；
具有两个端部的第二平板电感器；
第一振荡器芯，所述第一振荡器芯与所述第一平板电感器的第一端部以及所述第二平板电感器的第二端部耦合；和
第二振荡器芯，所述第二振荡器芯与所述第一平板电感器的第二端部以及所述第二平板电感器的第一端部耦合。
2、如权利要求1所述的集成压控振荡器，其中，所述第一平板电感器和所述第二平板电感器相互并联。
3、如权利要求1所述的集成压控振荡器，还包括：
具有两个端部的第三平板电感器；
第三振荡器芯，所述第三振荡器芯与所述第三平板电感器的第一端部以及所述第二平板电感器的第二端部耦合；和
其中，所述第一振荡器芯与所述第三平板电感器的第二端部以及所述第一平板电感器的第一端部耦合。
4、如权利要求1所述的集成压控振荡器，还包括：
具有两个端部的第三平板电感器；
具有两个端部的第四平板电感器；
第三振荡器芯，所述第三振荡器芯与所述第三平板电感器的第一端部以及所述第二平板电感器的第二端部耦合；
第四振荡器芯，所述第四振荡器芯与所述第三平板电感器的第二端部及所述第四平板电感器的第一端部耦合；并且
其中，所述第一振荡器芯与所述第四平板电感器的第二端部以及所述第一平板电感器的第一端部耦合。
5、如权利要求1所述的集成压控振荡器，其中，所述振荡器芯是选自由NMOS振荡器芯、PMOS振荡器芯、互补振荡器芯以及噪声漂移差分考必兹振荡器芯组成的组中一个或多个。
6、如权利要求4所述的集成压控振荡器，还包括与每个平板电感器的中点耦合的虚地。
7、如权利要求6所述的集成压控振荡器，其中，所述虚地包括与每个平板电感器的中点耦合的导电元件。
8、如权利要求4所述的集成压控振荡器，还包括设置在所述四个平板电感器中的拾波环，其中，在所述拾波环中感生振荡信号。
9、如权利要求1所述的集成压控振荡器，还包括与所述第一振荡器芯并联的第一谐振振荡回路电容器以及与所述第二振荡器芯并联的第二谐振振荡回路电容器。
10、如权利要求9所述的集成压控振荡器，其中，所述平板电感器的每个具有选自由矩形、曲线状、“L”形及“U”形组成的组中的一个的形状。
11、一种用于在集成电路中提供压控振荡器信号的方法，包括：
经由平板电感器来将多个振荡器芯耦合，所述平板电感器被用来为所述多个振荡器芯提供振荡回路谐振电感；
在振荡频率上激励所述多个振荡器芯；和
从与所述平板电感器感应耦合的拾波线圈中接收所述振荡信号。
12、如权利要求11所述的方法，还包括：交叉连接所述平板电感器的中心点，以抑制寄生振荡模式或自感应DC锁存。
13、如权利要求11所述的方法，其中，经由平板电感器将多个振荡器芯耦合还包括：从由NMOS振荡器芯、PMOS振荡器芯、互补振荡器芯以及噪声漂移差分考必兹振荡器芯组成的组中的一个或多个中选取所述多个振荡器芯。
14、如权利要求11所述的方法，其中，在振荡频率上激励所述多个振荡器芯包括：调整电压电平，以改变所述多个振荡器芯的振荡频率。
15、如权利要求11所述的方法，还包括：提供与每个振荡器芯并联的电容器。
16、如权利要求15所述的方法，其中，每个电容器选自由谐振振荡回路电容器、变容二极管以及开关电容器组构成的组。
17、一种集成压控振荡器，包括：
两个或多个平板电感器，其中每个具有第一端部和第二端部；
两个或多个振荡器芯，所述两个或多个振荡器芯与所述两个或多个平板电感器中的一个的第一端部和所述平板电感器中的另一个的第二端部耦合；和
其中，所述平板电感器和所述振荡器芯形成一个连续电路。
18、如权利要求17所述的集成压控振荡器，其中，所述振荡器芯选自由NMOS振荡器芯、PMOS振荡器芯、互补振荡器芯以及噪声漂移差分考必兹振荡器芯组成的组中的一个或多个。
19、如权利要求17所述的集成压控振荡器，还包括与每个平板电感器的中点耦合的虚地。
20、如权利要求17所述的集成压控振荡器，其中，所述虚地包括与每个平板电感器的中点耦合的导电元件。
21、如权利要求1所述的集成压控振荡器，还包括：设置在所述平板电感器中的拾波环，其中，在所述拾波环中感生所述振荡信号。
22、如权利要求1所述的集成压控振荡器，还包括与每个振荡器芯并联的谐振振荡回路电容器。
23、如权利要求1所述的集成压控振荡器，还包括与每个振荡器感应耦合的一个或多个谐振振荡回路。
24、如权利要求23所述的集成压控振荡器，其中，所述谐振振荡回路邻近每个振荡器设置。
25、如权利要求23所述的集成压控振荡器，其中，所述谐振振荡回路还包括两个或多个平板电感器，其中每个具有第一端部和第二端部。
26、如权利要求23所述的集成压控振荡器，其中，所述谐振振荡回路还包括：
两个或多个平板电感器，其中每个具有第一端部和第二端部；和
与所述两个或多个平板电感器串联的一个或多个电容器。
27、一种集成压控振荡器系统，包括：
第一压控振荡器，所述第一压控振荡器进一步包括；
具有两个端部的第一平板电感器；
具有两个端部的第二平板电感器；和
第一振荡器芯，所述第一振荡器芯与所述第一平板电感器的第一端部和所述第二平板电感器的第二端部耦合；
第二压控振荡器，所述第二压控振荡器进一步包括；
具有两个端部的第三平板电感器；
具有两个端部的第四平板电感器；和
第二振荡器芯，所述第二振荡器芯与所述第三平板电感器的第一端部和所述第四平板电感器的第二端部耦合；和
其中，所述第一压控振荡器和所述第二压控振荡器感应耦合。
28、如权利要求27所述的集成压控振荡器系统，其中，所述第一压控振荡器还包括与所述第一平板电感器的第二端部及所述第二平板电感器的第一端部耦合的第三振荡器芯。
29、如权利要求27所述的集成压控振荡器系统，其中，所述平板电感器是L形。
30、如权利要求27所述的集成压控振荡器系统，其中，所述平板电感器的每个还包括：
第一直线部分；和
第二直线部分，所述第二直线部分垂直于所述第一直线部分并且与所述第一直线部分的端部耦合。
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