TW201506963A - 可變電感與應用此可變電感之振盪器 - Google Patents

Abstract

一種可變電感與應用此可變電感之振盪器。此可變電感包含接地金屬保護環與電感器。接地金屬保護環包含第一金屬部份、第二金屬部份以及至少一開關。第一金屬部份係電性連接參考電壓。第二金屬部份係鄰設於第一金屬部份。開關係電性連接於該第一金屬部份以及該第二金屬部份之間，其中當開關關閉時，接地金屬保護環與電感器間具有第一耦合係數；當開關開啟時，接地金屬保護環與電感器間具有第二耦合係數，其中第一耦合係數不等於第二耦合係數。上述之振盪器包含電容器以及上述之可變電感。

Description

可變電感與應用此可變電感之振盪器

本發明是有關於一種可變電感與應用此可變電感之振盪器，特別是有關於一種適用於積體電路之可變電感與應用此可變電感之振盪器。

由於製程、電壓以及溫度變異的現象，積體電路特性常常會達不到預期的系統規格，而這個現象在微波(Millimeter-wave)頻帶電路上將更加的明顯。60-GHz是實現下一代超寬頻高資料量無線傳輸的操作頻帶，而60-GHz微波頻帶電路的系統規格係要求7GHz操作頻寬，因此具寬頻率可調範圍的壓控振盪器(Voltage Controlled Oscillator,VCO)是實現系統的一個重要需求條件。

目前已知有多種技術來提供具寬頻率可調範圍的壓控振盪器，而這些技術大多利用切換電容陣列來實現壓控振盪器。然而，切換電容陣列在毫米波頻帶若要達到寬頻率可調的要求則需要多組切換電容電路並聯，這將會造成共振腔的品質因子(Quality factor)嚴重衰減，導致壓控振盪器的相位雜訊效能(Phase noise)下降。其次，多組的切換 電容所需要的電路佈局走線也會相對的複雜，因此會造成電路的寄生效應(Parasitic effects)大幅增加，導致所增加的頻率可調範圍受限。若要降低寄生效應的影響則必須採用更先進的製程，但這也代表電路的製作成本會大幅的提升。再者，傳統切換電感技術必然採用電晶體開關並聯或串聯傳統型固定感值電感架構或傳輸線電感架構，然而電晶體開關並非理想的開關，其會貢獻寄生電阻與寄生電容，前者會降低切換電感的品質因子，導致壓控振盪器的相位訊表現不佳，而後者會限制切換電感可切換的感值範圍，特別在毫米波頻帶將會更加明顯。

總言之，傳統切換電容陣列或切換電感架構較難符合60-GHz系統要求之訊號源所需的7GHz頻率可調範圍，或者需要以較先進製程完成，所以在電路實現的困難度與製作成本都大幅地增加。

為了解決上述問題，在此提出一種可變電感與應用此可變電感之振盪器，其可滿足60-GHz微波頻帶電路的系統規格的需求，亦有足夠的空間對抗製程、電壓和溫度飄移的影響，更可適應未來THz頻帶的應用。

本發明之一方面是在提供一種可變電感與應用此可變電感之振盪器。此可變電感係切換接地保護環來改變電感架構的回流電流路徑(Return current path)，進而改變電感的磁通量大小，最終可以改變電感的感值，並使得應 用此可變電感之振盪器能符合60-GHz微波頻帶電路的要求。

根據本發明之一實施例，此可變電感包含接地金屬保護環與電感器。接地金屬保護環係電性連接至參考電壓，且包含第一金屬部份、第二金屬部份以及至少一開關。第一金屬部份係電性連接至參考電壓。第二金屬部份係鄰設於第一金屬部份。開關係電性連接於該第一金屬部份以及該第二金屬部份之間。電感器係鄰設於接地金屬保護環，以利用接地金屬保護環來提升電感器之隔離度。其中，當開關關閉，而使第一金屬部份電性連接至第二金屬部份時，接地金屬保護環與電感器間具有第一耦合係數；當開關開啟，而使第一金屬部份未電性連接至第二金屬部份時，接地金屬保護環與電感器間具有第二耦合係數，其中第一耦合係數不等於第二耦合係數。電感器係鄰設於接地金屬保護環，以利用接地金屬保護環來提升電感器之隔離度。

根據本發明之另一實施例，此振盪器包含可變電感以及電容器。可變電感包含接地金屬保護環與電感器。接地金屬保護環係電性連接至參考電壓，且包含第一金屬部份、第二金屬部份以及至少一開關。第一金屬部份係電性連接至參考電壓。第二金屬部份係鄰設於第一金屬部份。開關係電性連接於該第一金屬部份以及該第二金屬部份之間。電感器係鄰設於接地金屬保護環，以利用接地金屬保護環來提升電感器之隔離度。其中，當開關關閉，而使第 一金屬部份電性連接至第二金屬部份時，接地金屬保護環與電感器間具有第一耦合係數；當開關開啟，而使第一金屬部份未電性連接至第二金屬部份時，接地金屬保護環與電感器間具有第二耦合係數，其中第一耦合係數不等於第二耦合係數。電感器係鄰設於接地金屬保護環，以利用接地金屬保護環來提升電感器之隔離度。電容器係電性連接至可變電感。

由上述說明可知，本發明實施例之可變電感與振盪器係藉由切換接地保護環的第一金屬部份和第二金屬部份來變化電感架構的耦合係數，進而改變電感的感值，如此本發明實施例之可變電感與振盪器便能符合60-GHz微波頻帶電路的要求，且提供足夠的空間對抗製程、電壓和溫度飄移的影響。

100‧‧‧可變電感

110‧‧‧接地金屬保護環

112‧‧‧環狀結構

112a‧‧‧第一金屬部份

112b‧‧‧第二金屬部份

112c‧‧‧第三金屬部份

114‧‧‧開關

120‧‧‧電感器

200‧‧‧振盪器

300‧‧‧可變電感

310‧‧‧接地金屬保護環

312‧‧‧環狀結構

400‧‧‧可變電感

410‧‧‧接地金屬保護環

500‧‧‧可變電感

510‧‧‧接地金屬保護環

512a‧‧‧第一金屬部份

512b‧‧‧第二金屬部份

A1~A4‧‧‧環繞區域

C_V1、C_V2、C_bp、C_fl‧‧‧電容

M₁、M₂、M₃、M₄、M₇、M₈‧‧‧電晶體

MA1~MA5‧‧‧金屬條

MB1~MB5‧‧‧金屬條

P1~P4‧‧‧回流電流路徑

R_ref‧‧‧電阻

SWITCH‧‧‧感值調節端點

V_dd、V_bus‧‧‧電源電壓端點

V_tune‧‧‧頻率調節端點

V_out+、V_out-‧‧‧輸出訊號

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，上文特舉數個較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：第1圖係繪示根據本發明實施例之可變電感的結構示意圖。

第1a圖係繪示根據本發明實施例之接地金屬保護環於開關開啟時所提供之回流電流路徑。

第1b圖係繪示根據本發明實施例之接地金屬保護環於開關關閉時所提供之回流電流路徑。

第2圖係繪示本發明實施例之振盪器的結構示意圖。

第3圖係繪示根據本發明實施例之可變電感的結構示意圖。

第4圖係繪示根據本發明實施例之可變電感的結構示意圖。

第5圖係繪示根據本發明實施例之可變電感的結構示意圖。

第5a圖係繪示根據本發明實施例之接地金屬保護環於開關開啟時所提供之回流電流路徑。

第5b圖係繪示根據本發明實施例之接地金屬保護環於開關關閉時所提供之回流電流路徑。

請參照第1圖，其係繪示根據本發明實施例之可變電感100的結構示意圖。可變電感100包含接地金屬保護環110以及電感器120。接地金屬保護環110係鄰設於電感器120，以提升電感器120之隔離度。接地金屬保護環110包含環狀結構112以及開關114，其中環狀結構112包含第一金屬部份112a以及第二金屬部份112b。第一金屬部份112a為E型結構，其包含金屬條MA1、MA2、MA3、MA4以及MA5。第二金屬部份112b為反E型結構，其包含金屬條MB1、MB2、MB3、MB4以及MB5，其中金屬條MB1係與金屬條MA1電性連接，而金屬條MB5係與金屬條MA5電性連接，以提供電流回流路徑。開關114係設置環狀結 構112中，並電性連接至金屬條MA3和MB3，以提供另一電流回流路徑。值得注意的是，雖然本實施例係將環狀結構112分成兩個金屬部份112a和112b，但此非用以限定環狀結構112之製作方式。在製作環狀結構112時，亦可直接製作具有兩個金屬部份112a和112b的環狀結構112，而不限定於先製作兩個金屬部份112a和112b再將其結合。

請同時參照第1a圖以及第1b圖，第1a圖係繪示接地金屬保護環110於開關114開啟時所提供之回流電流路徑P1，第1b圖係繪示接地金屬保護環110於開關114關閉時所提供之回流電流路徑P2。如第1a圖所示，當本實施例之開關114開啟時，環狀結構112的金屬條MA1、MA2、MA4、MA5以及MB1、MB2、MB4、MB5係提供回流電流路徑P1，而此時接地金屬保護環110與電感器間120具有耦合係數K1。又，如第1b圖所示，當本實施例之開關114關閉時，環狀結構112b的金屬條MA1、MA2、MA3、MB1、MB2、MB3以及開關114係提供回流電流路徑P2，而此時接地金屬保護環110與電感器120間具有耦合係數K2，其中K1≠K2。

在本實施例中，可變電感100係藉由開關114的切換來改變回流電流路徑，以使得接地金屬保護環110與電感器120間的耦合係數隨著開關114的開關狀態而變化，進一步改變可變電感100的感值。由第1a圖和第1b圖可知，回流電流路徑P1所定義之環繞區域A1的面積係不同回流電流路徑P2所定義之環繞區域A2的面積，如此本實 施例中之可變電感100可藉由開關114的切換來實現耦合係數的變化。然而，本發明之實施例並不受限於此。在本發明之其他實施例中，亦可利用其他方式來實現接地金屬保護環110與電感器120間之耦合係數的變化。

另外，為了使接地金屬保護環110能有效地提供感值變化的功能，本實施例之電感器120係設置於回流電流路徑P2所定義的環繞區域A2中。一般而言，接地金屬保護環110與電感器120可能會設置在積體電路的不同層面中，然而電感器120仍會位於環繞區域A2的垂直投影區域中。

由以上說明可知，本實施例之可變電感100係切換金屬保護環110之開關114來改變電感架構的回流電流路徑，進而改變電感的磁通量以及耦合係數，最終可以達到改變電感感值的目的。

經實驗證明，採用90奈米製程將本實施例之切換電感應用於60-GHz振盪器的電路實作上，量測所得的頻率可調範圍高達9.4GHz，同時保有優良的相位雜訊表現，其效能指標(FOMT)可達-188dBc/Hz。這樣的特性不僅足以滿足60-GHz無線通訊系統的需求，更有足夠的能力足以對抗製程、電壓與溫度的漂移。

請參照第2圖，其係繪示本發明實施例之振盪器200的結構示意圖，其中電晶體M₁、M₂為交錯耦合對(cross coupled pair)提供負阻抗；電容C_V1、C_V2為變容器，電晶體M₃、M₄構成開路汲極架構之輸出緩衝級，目的用於量測 用；電晶體M₇、M₈以及電阻R_ref構成電流鏡架構，提供電路較穩定的直流電流；電容C_bp、C_fl係以提供旁通(bypass)與雜訊過濾功能；電源電壓端點V_dd和V_bus係用以提供電源；頻率調節端點V_tune可供使用者輸入電壓來控制振盪器的輸出頻率；感值調節端點SWITCH可供使用者輸入電壓來控制切換電感的感值。由於振盪器200採用前述之可變電感100，因此可利用可變電感100來調整振盪器200之差動輸出訊號V_out+以及V_out-的頻率，使其滿足無線通訊系統的需求。

請參照第3圖，其係繪示根據本發明實施例之可變電感300的結構示意圖。可變電感300係類似於可變電感100，但不同之處在於可變電感300之接地金屬保護環310包含複數個開關114以及與複數個開關114電性連接之環狀結構312，以提供複數個不同的電流回流路徑。相較於可變電感100，可變電感300可提供較多的電感值供使用者選擇。

請參照第4圖，其係繪示根據本發明實施例之可變電感400的結構示意圖。可變電感400係類似於可變電感100，但不同之處在於可變電感400之接地金屬保護環410包含兩個開關114以及第三金屬部份112c。第三金屬部份112c為金屬條，其係位於金屬條MA3和MB3之間，並分別利用兩開關114來電性連接至金屬條MA3和MB3，以提供電流回流路徑。相較於可變電感100，可變電感400在電路設計上較為平衡，因為開關114係彼此對稱地設置在接 地金屬保護環410中。

請參照第5圖，其係繪示根據本發明實施例之可變電感500的結構示意圖。可變電感500包含接地金屬保護環510以及電感器120。接地金屬保護環510係鄰設於電感器120，以提升電感器120之隔離度。接地金屬保護環510係類似前述之接地金屬保護環110，其皆利用開關來改變電流回流路徑，但不同之處在於接地金屬保護環510的金屬部份的結構與接地金屬保護環110不同。在本實施例中，接地金屬保護環510之第一金屬部份512a為凹字型環狀結構，而第二金屬部份512b為條狀結構。第二金屬部份512b與兩開關514係位於第一金屬部份512a的凹口中，且開關514係電性連接於第一金屬部份512a與第二金屬部份512b之間，以提供電流回流路徑。

請同時參照第5a圖以及第5b圖，第5a圖係繪示接地金屬保護環510於開關114開啟時所提供之回流電流路徑P3，第1b圖係繪示接地金屬保護環510於開關114關閉時所提供之回流電流路徑P4。如第5a圖所示，當本實施例之開關114開啟時，第一金屬部份512a係單獨提供回流電流路徑P3，而此時接地金屬保護環510與電感器間120具有耦合係數K3。又，如第5b圖所示，當本實施例之開關114關閉時，第一金屬部份512a、第二金屬部份512b以及開關114係一起提供回流電流路徑P2，而此時接地金屬保護環510與電感器120間具有耦合係數K4，其中K3≠K4。

在本實施例中，可變電感500係藉由開關114的切換來改變回流電流路徑，以使得接地金屬保護環510與電感器120間的耦合係數隨著開關114的開關狀態而變化，進一步改變可變電感500的感值。由第5a圖和第5b圖可知，回流電流路徑P3所定義之環繞區域A3的面積係不同回流電流路徑P4所定義之環繞區域A4的面積，如此本實施例中之可變電感500可藉由開關114的切換來實現耦合係數的變化。然而，本發明之實施例並不受限於此。在本發明之其他實施例中，亦可利用其他方式來實現接地金屬保護環510與電感器120間之耦合係數的變化。

雖然本發明已以數個實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，在本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧可變電感

110‧‧‧接地金屬保護環

112‧‧‧環狀結構

112a‧‧‧第一金屬部份

112b‧‧‧第二金屬部份

114‧‧‧開關

120‧‧‧電感器

MA1~MA5‧‧‧金屬條

MB1~MB5‧‧‧金屬條

Claims (10)

1. 一種可變電感，包含：一接地金屬保護環，電性連接至一參考電壓，其中該接地金屬保護環包含：一第一金屬部份，電性連接至該參考電壓；一第二金屬部份，鄰設於該第一金屬部份；以及至少一開關，電性連接於該第一金屬部份與該第二金屬部份之間；以及一電感器，鄰設於該接地金屬保護環，以利用該接地金屬保護環來提升該電感器之隔離度；其中，當該至少一開關關閉時，該接地金屬保護環與該電感器間具有一第一耦合係數；當該至少一開關開啟時，該接地金屬保護環與該電感器間具有一第二耦合係數，其中該第一耦合係數不等於該第二耦合係數。
2. 如請求項第1項所述之可變電感，其中當該至少一開關開啟，而使該第一金屬部份電性未連接至該第二金屬部份時，該第一金屬部份提供一第一電流迴流路徑，該第一電流迴流路徑係定義出一第一電流環繞區域，該第一電流環繞區域具有一第一面積；當該至少一開關關閉，而使該第一金屬部份電性連接至該第二金屬部份時，該第一金屬部份、該第二金屬部份以及該些開關提供一第二電流迴流路徑，該第二電流迴流路徑係定義出一第二電流環繞區域，該第二電流環繞區域具有一第二面積，該第二面積係不等於該第一面積。
3. 如請求項第2項所述之可變電感，其中該至少一開關之數量為二，該第一金屬部份與該第二金屬部份係組成一環狀結構，該些開關係設置於該第一電流環繞區域中，以使該第二電流環繞區域之該第二面積小於該第一電流環繞區域之該第一面積。
4. 如請求項第3項所述之可變電感，其中該接地金屬保護環更包含一條狀結構，該條狀結構具有相對之一第一端點和一第二端點，該些開關係分別電性連接至該第一端點和該第二端點，以將該第一端點和該第二端點分別電性連接至該第一金屬部份和該第二金屬部份。
5. 如請求項第4項所述之可變電感，其中該電感器係設置於該第二電流環繞區域中。
6. 如請求項第2項所述之可變電感，其中該電感器之垂直投影係位於該第二電流環繞區域。
7. 一種振盪器，包含：一可變電感，包含：一接地金屬保護環，電性連接至一參考電壓，其中該接地金屬保護環包含：一第一金屬部份，電性連接至該參考電壓；一第二金屬部份，鄰設於該第一金屬部份；以及至少一開關，電性連接於該第一金屬部份與該 第二金屬部份之間；以及一電感器，鄰設於該接地金屬保護環，以利用該接地金屬保護環來提升該電感器之隔離度；其中，當該至少一開關關閉時，該接地金屬保護環與該電感器間具有一第一耦合係數；當該至少一開關開啟時，該接地金屬保護環與該電感器間具有一第二耦合係數，其中該第一耦合係數不等於該第二耦合係數；以及一電容器，電性連接至該可變電感。
8. 如請求項第7項所述之振盪器，其中當該至少一開關開啟，而使該第一金屬部份電性未連接至該第二金屬部份時，該第一金屬部份提供一第一電流迴流路徑，該第一電流迴流路徑係定義出一第一電流環繞區域，該第一電流環繞區域具有一第一面積；當該至少一開關關閉，而使該第一金屬部份電性連接至該第二金屬部份時，該第一金屬部份、該第二金屬部份以及該些開關提供一第二電流迴流路徑，該第二電流迴流路徑係定義出一第二電流環繞區域，該第二電流環繞區域具有一第二面積，該第二面積係不等於該第一面積。
9. 如請求項第8項所述之振盪器，其中該至少一開關之數量為二，該第一金屬部份與該第二金屬部份係組成一環狀結構，該些開關係設置於該第一電流環繞區域中，以使該第二電流環繞區域之該第二面積小於該第一電流環繞區域之該第一面積。
10. 如請求項第7項所述之振盪器，其中該電感器之垂直投影係位於該第二電流環繞區域。