TWI749338B - 電壓控制振盪器、帶通濾波器、以及用於產生振盪信號的方法 - Google Patents

電壓控制振盪器、帶通濾波器、以及用於產生振盪信號的方法 Download PDF

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葉子禎
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Abstract

電壓控制振盪器包含用以具有電源供應電壓的電源供應節點。參考節點用以具有第一參考電壓。變壓器耦合帶通濾波器耦接到一對電晶體。該對電晶體和變壓器耦合帶通濾波器位於電源供應節點與參考節點之間。一種帶通濾波器及一種用於產生振盪信號的方法亦在此揭露。

Description

電壓控制振盪器、帶通濾波器、以及用 於產生振盪信號的方法
本案是關於電壓控制振盪器、帶通濾波器、以及用於產生振盪信號的方法，特別是關於具有抑制相位雜訊的電壓控制振盪器、帶通濾波器、以及用於產生振盪信號的方法。
電壓控制振盪器是具有輸出信號的振盪器，所述輸出信號的輸出可以在某一範圍內變化，所述範圍由輸入電壓控制。振盪器的輸出信號的輸出頻率與輸入電壓直接相關。振盪頻率在從幾赫茲至幾百吉赫(GHz)的範圍內變化。藉由改變輸入電壓來調節輸出信號的輸出頻率。
本案內容之一實施方式是關於一電壓控制振盪器，該電壓控制振盪器包含一電源供應節點、一參考節點、 一對電晶體以及一變壓器耦合帶通濾波器。電源供應節點用以具有一電源供應電壓。參考節點用以具有一第一參考電壓。變壓器耦合帶通濾波器與該對電晶體的第一電晶體的汲極端子在第一節點耦接，與第一電晶體的閘極端子在第二節點耦接，與對電晶體的第二電晶體的閘極端子在第三節點耦接，以及與第二電晶體的汲極端子在第四節點耦接，其中該對電晶體和變壓器耦合帶通濾波器位於電源供應節點與參考節點之間，以及變壓器耦合帶通濾波器包含第一電容裝置及第二電容裝置，第一電容裝置包含連接到第一節點的端點以及連接到第二節點或第三節點的另一端點，第二電容裝置包含連接到第四節點的一端點以及連接到第二節點或第三節點的另一端點。
本案內容的另一實施方式是關於一種帶通濾波器，帶通濾波器包含第一導電結構、第二導電結構、第三導電結構以及第四導電結構。第一導電結構位於積體電路的第一金屬層中，第一導電結構包含第一端子、第二端子和第三端子。第一端子在第一導電結構的第一端點處，以及第二端子和第三端子在第一導電結構的第二端點處，第二端點與第一導電結構的第一端點相對。第二導電結構在第一金屬層中，第二導電結構包含輸入端子、複數個延伸部分。輸入端子在第二導電結構的第一端點處位於第二端子和第三端子之間。些延伸部分位於第二導電結構的第二端點處，第二端點與第二導電結構的第一端點相對，其中些延伸部分沿著彼此相反的方向從輸入端子延伸到第一端子。第三導電結構在 第一金屬層中，其中第三導電結構的第一端點連接到第二導電結構的些延伸部分中的一者，第三導電結構的第二端點定位在與第三導電結構的第一端點相對，並且第三導電結構的第二端點限定第四端子。第四導電結構在第一金屬層中，第四導電結構定位為與第三導電結構相對，其中第四導電結構的第一端點連接至第二導電結構的些延伸部分中的另一者，第四導電結構的第二端點定位為與第四導電結構的第一端點相對，並且第四導電結構的第二端點限定第五端子，其中第二端子位於第四端子與輸入端子之間，並且第三端子位於第五端子與輸入端子之間。
本案內容的另一實施方式是關於用於產生振盪信號的方法，方法包含：在變壓器耦合帶通濾波器的第一繞組與第二繞組處接收輸入電壓；在變壓器耦合帶通濾波器的第三繞組與第四繞組處處接收電源供應電壓；在包含一對電晶體的諧振器部件處接收控制電壓；經由該對電晶體將變壓器耦合帶通濾波器的第一至第四繞組與參考電壓耦接；以及產生振盪信號，振盪信號的頻率對應於控制電壓的電壓電平；其中第一繞組與第二繞組共用第一核心，以及第二繞組與第四繞組共用第二核心。
為讓本案之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附符號之說明如下：
100、202:電壓控制振盪器
102:諧振器
104、108:T型偏壓器電路/T型偏壓電路
106:變壓器耦合帶通濾波器
BFP:帶通濾波器
114、116、118、120、122、124、126、128、130、132、134、136、138、140:節點
144、146:極性點
L1、L2:電感器
M1、M2、M3、M4:電晶體
CR1、CR2:核心
C1、Cc1、Cc2、C2、C3、C4、C5、C6:電容裝置
T1、T2:變壓器
W1、W3:初級繞組
W2、W4:次級繞組
R1、R2:電阻器
VBUF:DC電壓電源
VDD:電源供應源
VG:電壓源
Vctrl1:第一控制電壓
Vctrl2:第二控制電壓源
204:第一帶通濾波器
206:輸出
208:第二帶通濾波器
210、G1、G2、D1、D2:信號
212、214:加法器
216、218:電導裝置
220、222:回饋臂
224:相位雜訊效能/曲線
m1、m2:增益
300:圖表/曲線
302、204、606、608、804、806、906、908、910::曲線
400:變壓器
404:第一基板
406、412、414、418:導電結構
416:第二基板結構
420、422、424、426、428::端子
430、432:通孔結構
434:第一端子
436:相對延伸的部分/延伸部分
438:延伸部分
500、502、600、604:變壓器耦合帶通濾波器
602:最低金屬層
700:變壓器耦合帶通濾波器/變壓器耦合帶通濾波器
714、716:區域
800、802、902、904:圖表
1000:方法
1002、1004、1006、1008::步驟
當結合附圖閱讀時，從以下詳細描述可以最好地理解本案的各方面。應注意，根據行業中的標準實踐，各 種特徵未按比例繪製。實際上，為了論述的清楚性，可以任意地增大或縮小各種特徵的尺寸：第1A圖至第1B圖是根據一實施例的電壓控制振盪器的示意圖；第2A圖至第2B圖是根據一實施例的電壓控制振盪器之相位雜訊效能的示意圖和圖表；第3圖是根據一實施例的電壓控制振盪器的傳輸係數的圖表；第4圖是根據一實施例的變壓器耦合帶通濾波器的變壓器的示意圖；第5A圖至第5B圖是根據一實施例的變壓器耦合帶通濾波器的示意圖；第6A圖至第6B圖是根據一實施例的變壓器耦合帶通濾波器的示意圖和變壓器耦合帶通濾波器的分離圖；第7圖是根據一實施例的變壓器耦合帶通濾波器的示意圖；第8A圖至第8B圖是根據一實施例的電壓控制振盪器的雜訊抑制的圖表；第9A圖至第9B圖是根據一實施例的電壓控制振盪器的所量測振盪頻率和所量測相位雜訊的圖表；以及第10圖是根據一實施例的用於產生振盪信號的方法的流程圖。
以下揭露內容提供了用於實施所提供標的的不同特徵的許多不同實施例或實例。以下描述了部件、值、操作、材料、佈置等的特定實例以簡化本案內容。當然，該些僅僅是實例，而並且旨在為限制性的。可設想到其他部件、值、操作、材料、佈置等。例如，在以下描述中在第二特徵上方或之上形成第一特徵可以包含第一特徵和第二特徵形成為直接接觸的實施例，並且亦可以包含可以在第一特徵與第二特徵之間形成額外特徵，使得第一特徵和第二特徵可以不直接接觸的實施例。另外，本案可以在各種實例中重複參考數字及/或字母。該重複是為了簡單和清楚的目的，並且本身並不表示所論述的各種實施例及/或配置之間的關係。
電壓控制振盪器用作鎖相迴路(phase locked loop，PLL)的一部分，以同步電壓控制振盪器頻率與參考頻率。當輸出端出現短期隨機頻率信號波動(稱為相位雜訊)時，電壓控制振盪器輸出的品質會折衷。相位雜訊引入了改變電壓控制振盪器輸出的二階和三階諧波頻譜分量。對於要在某些毫米波應用(mmWave)(30GHz-300GHz)下操作的電壓控制振盪器，電壓控制振盪器需要控制在電壓控制振盪器輸出端處出現的相位雜訊的量。
第1A圖是根據一實施例的電壓控制振盪器100的示意圖。電壓控制振盪器100具有兩個部件：諧振器102和變壓器耦合帶通濾波器106。諧振器102用於電壓控制振盪器100的頻率偵測和複製。諧振器102包含兩個T型偏壓器(bias-tee，bias-T)電路104和108，所述兩個T型偏 壓器電路104和108提供DC電壓或DC電流以偏置諧振器102。T型偏壓器電路104包含電感器L1、節點114和電容裝置C1。電感器L1在一個端點處連接至節點114，並且在另一端點處連接至DC電壓電源VBUF。電容裝置C1在一個端點處連接至節點114，並且在另一端點處連接至電阻器R1。電阻器R1在另一端點處連接至接地源極。T型偏壓器電路108包含電感器L2、節點116和電容裝置C2。電感器L2在一個端點處連接至節點116，並且在另一端點處連接至DC電壓電源VBUF。電容裝置C1在一個端點處連接至節點116，並且在另一端點處連接至電阻器R2。電阻器R2在另一端點處連接至接地源極。T型偏壓電路104和108用於向電晶體M3和M4提供固定的DC電壓。
電晶體M3在汲極端子處連接至節點114，並且在源極端子處連接至接地源極。電晶體M3的閘極連接至節點118。可變電容裝置C6在一個端點處連接至節點118，並且在另一端點處連接至電氣節點120。電晶體M4在汲極端子處連接至節點116，並且在源極端子處連接至接地源極。電晶體M4的閘極連接至節點122。可變電容裝置C3在一個端點處連接至節點122，並且在另一端點處連接至節點120。節點120連接至第一控制電壓Vctrl1。
電晶體M1的汲極端子連接至節點124，並且源極端子連接至接地電壓。電晶體M2的汲極端子連接至節點126，並且源極端子連接至接地電壓。電晶體M1的閘極連接至節點128，並且電晶體M2的閘極連接至節點130。可變 電容裝置C5在一個端點處連接至節點128，並且在另一端點處連接至節點132。可變電容裝置C4在一個端點處連接至節點130，並且在另一端點處連接至節點132。節點132連接至第二控制電壓源Vctrl2。電晶體M1和M2用以形成一對交叉耦合的電晶體。
變壓器耦合帶通濾波器106包含一對耦合的變壓器T1和T2，以及一對耦合的電容裝置Cc1和Cc2。變壓器T1包含初級繞組W1、次級繞組W2和核心CR1。變壓器T2包含初級繞組W4、次級繞組W3和核心CR2。變壓器T1和T2用以在該實施例中作為1：2變壓器一起操作，然而，在其他實施例中，變壓器T1和T2根據電壓控制振盪器的功率考量而具有不同的變壓器實施。變壓器T1產生180度的相位差，如變壓器T1的極性點144所示，而由變壓器裝置T2產生的相位是-180度，如極性點146所示。初級繞組W1在一個端點處連接至節點134並且在另一個端點處連接至電源供應源VDD，並且初級繞組W4在一個端點處連接至節點136並且在另一個端點處連接至電源供應源VDD。電容裝置Cc1連接在節點134與136之間。次級繞組W2在一個端點處連接至節點138並且在另一個端點處連接至電壓源VG，並且次級繞組W3在一個端點處連接至節點140並且在另一個端點處連接至電壓源VG。電容裝置Cc2連接在節點138與140之間。該對耦合的電容裝置Cc1和Cc2與變壓器T1和T2的耦接形成帶通濾波器。
節點134至節點124、節點136至節點130、節點138至節點128以及節點140至節點126的連接將諧振器部件102連接至變壓器耦合帶通濾波器106。
第1B圖是根據一實施例的電壓控制振盪器110的示意圖。電壓控制振盪器110包含諧振器部件102。電壓控制振盪器110與電壓控制振盪器100的不同之處在於與電壓控制振盪器110連接的變壓器耦合帶通濾波器112的配置。變壓器耦合帶通濾波器112類似於變壓器耦合帶通濾波器106，區別為該對耦合的電容裝置Cc1和Cc2的連接方式。在電壓控制振盪器110中，電容裝置Cc1連接在節點134與節點138之間，並且電容裝置Cc2連接在節點136與節點140之間。電壓控制振盪器110的電容裝置Cc1和Cc2的兩個端點連接至相同的變壓器T1和T2的端子，此與電壓控制振盪器100的電容裝置Cc1和Cc2的連接相反。
該對交叉耦合的電晶體M1和M2用以產生負電阻以補償來自變壓器耦合帶通濾波器106的信號損失。電晶體M1和M2為實現電流穩定性在飽和區中操作，以減小由電晶體M1和M2中的電荷俘獲和釋放引起的1/f(亦稱為閃爍雜訊)；然而，移除閃爍雜訊不會減少相位雜訊。閃爍雜訊不是在較高頻率範圍(諸如1GHz或更高)下的主要因素，在較高頻率範圍下相位雜訊更為主要。為了減少相位雜訊，變壓器耦合帶通濾波器106和112使用一對耦合的電容裝置Cc1和Cc2來過濾和減少由較高諧波(諸如2f0、3f0，或更高諧波)貢獻的相位雜訊，其中f0是本文所述的變壓器耦合帶 通濾波器106或112的截止頻率下限。電容裝置Cc1和Cc2各自耦接到該對耦合的變壓器T1和T2，以形成變壓器耦合帶通濾波器106或112。變壓器耦合帶通濾波器106或112的頻率響應包含額外的傳輸零點，額外的傳輸零點被定義為頻率響應產生幾乎為零的值的頻率。電容裝置，諸如Cc1和Cc2，由於過濾而增加了系統頻率響應中的傳輸零點的數目。變壓器耦合帶通濾波器106或112的傳輸零點出現在截止頻率下限的兩倍處(2f0)，其中截止頻率下限(f0)是變壓器耦合帶通濾波器106或112的最低轉角頻率。此外，該對耦合的電容裝置Cc1和Cc2用以為使得變壓器耦合帶通濾波器包含在由第二諧波和第三諧波貢獻的相位雜訊的頻率範圍之外的帶通範圍。在至少一些實施例中，變壓器耦合帶通濾波器106或112將相位雜訊減少14dB或更多。
在一些實施例中，電晶體M1~M4是雙極電晶體、場效電晶體(field effect transistors，FET)等。在一些實施例中，電晶體M1~M4是金屬氧化物半導體場效電晶體(metal-oxide semiconductor field-effect transistors，MOSFET)，諸如CMOS、NMOS、PMOS等。在一些實施例中，電晶體M1~M4是不同類型的電晶體。在一些實施例中，所描述的接地源極在電壓控制振盪器外部或內部接地至電壓控制振盪器。在一些實施例中，可變電容裝置C3~C6是變容器結構等等，可變電容裝置C3~C6允許電容基於電壓或電流而改變。
第2A圖是根據一實施例的電壓控制振盪器202的回饋電路的示意圖。電壓控制振盪器202包含具有增益m1的第一帶通濾波器204，該第一帶通濾波器204接收信號D1作為輸入。第一帶通濾波器204產生輸出206，該輸出206是增益m1與信號D1相乘的結果。具有增益m2的第二帶通濾波器208接收信號D2作為輸入。第二帶通濾波器208產生輸出信號210，該輸出信號210是增益m2與信號D2相乘的結果。加法器212接收信號206和信號D2作為輸入，並輸出信號G2。加法器214接收信號210和信號D1作為輸入，並輸出信號G1。電導裝置216接收信號G1作為輸入，並輸出信號D1。電導裝置218接收信號G2作為輸入，並輸出信號D2。回饋臂(feedback arm)220用以包含電導裝置216和加法器214，因此信號D1產生一致的結果。回饋臂222用以包含電導裝置218和加法器212，因此信號D2產生一致的結果。
在一些實施例中，增益m1和m2與如本文所述的該對耦合的變壓器(例如，「T1」和「T2」)中的每個變壓器的匝數比相關。在一些實施例中，增益m1和m2為相同或相異的。在一些實施例中，電導裝置216和218是第1A圖和第1B圖的該對耦合的變壓器T1和T2中的每個變壓器的電導。在一些實施例中，電導裝置216和218包含電壓控制振盪器202外部的電路。
帶通濾波器204和208藉由將增益m1和m2施加到信號D1和D2來增加振盪幅度，而不需要額外的DC電 壓。在此種情況下，信號D1和D2為基本上相似的，增益m1和m2為2，並且帶通濾波器204和206所使用的變壓器的匝數比為2。此外，所有寄生損耗都可以忽略不計。使用該些參數，基於電壓控制振盪器202的回饋電路和以下公式，信號G1的信號功率PG1約為信號D1之信號功率PD1的三倍：PD1+m2PD2=PG1
如果PD1=PD2並且m1=m2=2則PG1=3PD1。
由於帶通濾波器204和208的相位雜訊抑制，雜訊功率不會增加。電壓控制振盪器202產生約10log(1/3)
Figure 108122999-A0305-02-0014-3
-4.8dB的相位缩減。
在一些實施例中，匝數比高於2並且信號D1和D2不相似。
第2B圖是根據一實施例的電壓控制振盪器202的相位雜訊效能224的圖表。曲線224是以分貝(dB)對照匝數比的相位雜訊改善圖表。隨著匝數比的增加，相位雜訊改善增加，亦即dB位凖下降，如曲線224所示。
第3圖是根據一實施例的電壓控制振盪器的傳輸係數的圖表300。電壓控制振盪器的傳輸係數表示電壓控制振盪器輸出的幅度和功率。曲線300包含曲線302和曲線304。曲線302包含根據不具有如本文所述的變壓器耦合帶通濾波器之方法的一對耦合的變壓器的傳輸係數對照頻率，並且曲線304包含第1A圖或第1B圖之變壓器耦合帶通濾波器(例如，「106」或「112」)的傳輸係數對照頻率。 在此種情況下，變壓器耦合帶通濾波器具有約28GHz的截止頻率下限(f0)。曲線304包含在約56GHz或(2f0)處與曲線302的相同點相比降低超過14dB的傳輸零點。在84GHz處，曲線304包含相對於曲線302約14dB的下降。該對耦合的電容器濾除了相位雜訊的較高頻率分量。
第4圖是根據一實施例的在變壓器耦合帶通濾波器中使用的一對耦合的變壓器400的示意圖。該對耦合的變壓器400用以在兩個堆疊的金屬層佈置中。該對耦合的變壓器400包含形成在金屬層上的多個導電結構406、412和414。此外，該對耦合的變壓器400包含形成在金屬層上的導電結構418，該導電結構418具有在該耦合的變壓器400的一個端點處的第一端子434，其中兩個延伸部分438從第一端子434延伸至在相對端點處的兩個端子422和426。延伸部分438用以作為第1A圖至第1B圖中所示的初級繞組W1和W4。
導電結構412包含位於導電結構412的一個端點處的端子424和位於導電結構412的相對端點處的兩個相對延伸部分436。兩個相對的延伸部分436從端子424延伸。導電結構406包含第一端點，該第一端點連接至延伸部分436中在第一端子434附近的一個延伸部分。導電結構406包含位於與第一端點相對之端點處的端子420。導電結構414包含第一端點，該第一端點連接至該導電結構412的延伸部分436中在第一端子434附近的另一個延伸部分。此外，導電結構414包含位於與第一端點相對之端點處的端子 428。導電結構406和414在第一端子434下方與導電結構412的延伸部分436連接。
通孔結構430和432用以提供形成一對耦合的變壓器400所需的連接。導電結構406、412、414和418的一部分位於第一基板404上方。通孔結構432用以在導電結構406與412之間形成連接以形成第1A圖至第1B圖的次級繞組W2，並在導電結構412與414之間形成連接以形成第1A圖至第1B圖的次級繞組W3。導電結構406與導電結構412之間以及導電結構414與導電結構412之間的連接位於第一端子下方。導電結構406、412、414和418的其他部分包含端子420、422、424、426和428，該些端子420、422、424、426和428各自位於一系列第二基板結構416中的一者上方。第二基板結構416被單獨圖案化以具有與端子420、422、424、426和428類似的尺寸。此外，通孔結構430用以在端子420與424之間以及端子424與428之間進行連接。
在一些實施例中，第一基板404和第二基板416是分離的基板。在一些實施例中，第一基板404和第二基板416形成單個基板結構。在一些實施例中，第一基板404是矽(Si)基板或金屬基板。在一些實施例中，第二基板416是Si基板或金屬基板。
在一些實施例中，通孔結構430和432是方形通孔。在一些實施例中，通孔結構430和432具有八邊形形狀、六邊形形狀、矩形形狀等。在一些實施例中，通孔結構430和432是穿矽通孔。在一些實施例中，通孔結構430和432 是在填充有金屬的層間介電質中蝕刻的孔。在一些實施例中，通孔結構430和432是埋通孔。在一些實施例中，通孔結構430與通孔結構432不同。在一些實施例中，通孔結構430和/或432被分層金屬對替代，以形成與導電結構406、412、414和418的互連。
第5A圖是根據一些實施例的變壓器耦合帶通濾波器500的示意圖。變壓器耦合帶通濾波器500包含一對耦合的變壓器，該對耦合的變壓器類似於第4圖的該對耦合的變壓器400。此外，第5A圖包含的一對耦合的電容裝置Cc1和Cc2的耦合佈置與第1A圖中變壓器耦合帶通濾波器106的耦合佈置相同。第一端子434耦合至電壓源VDD，並且輸入電壓VG連接至端子424。耦合的電容裝置Cc1在一個端點處連接至端子420，並且另一端點連接至端子426。耦合的電容裝置Cc2在一個端點處連接至端子422，並且另一端點連接至端子428。變壓器耦合帶通濾波器500是第1A圖的變壓器耦合帶通濾波器106的一個實施例。
第5B圖是根據一實施例的變壓器耦合帶通濾波器502的示意圖。變壓器耦合帶通濾波器500包含一對耦合的變壓器，該對耦合的變壓器類似於第4圖的該對耦合的變壓器400。此外，第5B圖包含的耦合佈置與第1B圖中變壓器耦合帶通濾波器112的該對耦合的電容裝置Cc1和Cc2的耦合佈置類似。第一端子434耦合至電壓源VDD，並且輸入電壓VG連接至端子424。耦合的電容裝置Cc1在一個端點處連接至端子420，並且另一端點連接至端子422。耦合的 電容裝置Cc2在一個端點處連接至端子426，並且另一端點連接至端子428。變壓器耦合帶通濾波器502是第1B圖的變壓器耦合帶通濾波器112的一個實施例。
變壓器耦合帶通濾波器500和502具有的特性與本文關於第1A圖和第1B圖的變壓器耦合帶通濾波器106和112所述的特性類似。特別地，變壓器耦合帶通濾波器500和502具有為截止頻率下限的兩倍的傳輸零點(2f0)。此外，如本文所述，變壓器耦合帶通濾波器500和502濾除由第二諧波和第三諧波貢獻的相位雜訊。
第6A圖是根據一些實施例的變壓器耦合帶通濾波器600的示意圖。變壓器耦合帶通濾波器600類似於第5B圖中所述的變壓器耦合帶通濾波器502。第6A圖包含耦接到最低金屬層602的端子424，並且該對電容裝置Cc1和Cc2與第5B圖的變壓器耦合帶通濾波器502類似地佈置。金屬層602用以耦接到電壓源VG。此外，變壓器耦合帶通濾波器600用以提供隔離以防止由寄生電阻等產生的雜訊。端子的寬度W1與金屬層602的寬度W2之間的寬度比與變壓器耦合帶通濾波器600中增加的隔離相關。
第6B圖是隔離對照寬度比(W1/W2)的圖表。曲線604包含兩條曲線606和608。曲線606包含在28GHz下操作的變壓器耦合帶通濾波器的隔離對照寬度比，並且曲線608包含在56GHz下操作的變壓器耦合帶通濾波器的隔離對照寬度比。寬度比越高，則隔離越好，如曲線606和608 所示。增加隔離的一種方法是減小金屬層602的寬度W2。在28GHz和56GHz下，使用8或更高的寬度比。
第7圖是根據一實施例的變壓器耦合帶通濾波器700的示意圖。變壓器耦合帶通濾波器700類似於第6A圖中描述的變壓器耦合帶通濾波器600。此外，第7圖包含一對耦合的電容裝置Cc1和Cc2，該對耦合的電容裝置Cc1和Cc2位於變壓器耦合帶通濾波器700的區域714和716下方的下部金屬層處。將該對耦合的電容裝置Cc1和Cc2放置在變壓器下方的下部金屬層處允許該對耦合的電容裝置Cc1和Cc2與變壓器耦合帶通濾波器700的其他操作元件之間的充分分離。該分離降低了由耦合的電容裝置Cc1和Cc2引入的寄生電容對變壓器耦合帶通濾波器700的其餘操作元件的影響。此外，變壓器耦合帶通濾波器700的空間面積減小。在一些實施例中，使用絕緣體材料層等來形成變壓器下方的該對耦合的電容裝置。
第8A圖是根據一實施例的電壓控制振盪器的輸出功率的圖表800。特別地，圖表800包含根據不具有如本文所述之變壓器耦合帶通濾波器的另一方法的第一電壓控制振盪器與根據具有如本文所述之變壓器耦合帶通濾波器的方法的第二電壓控制振盪器在基頻和若干諧波處的輸出功率對比頻率。基頻為28GHz。在第二諧波(56GHz)處，第一電壓控制振盪器在相位雜訊中產生22dB的下降，並且第二電壓控制振盪器產生更大的28dB下降。在第三諧波(84GHz)和第四諧波(112GHz)處，由於如本文所述 的變壓器耦合帶通濾波器的過濾特性，第二電壓控制振盪器相對於第一電壓控制振盪器產生更大的相位雜訊下降。
第8B圖是根據一實施例的電壓控制振盪器的雜訊抑制的圖表。在此種情況下，第8B圖包含圖表802，所述圖表802具有兩條曲線804和806。曲線804是根據不具有如本文所述的變壓器耦合帶通濾波器的另一方法的第一電壓控制振盪器的模擬相位雜訊對照偏移頻率，並且曲線806是具有如本文所述的變壓器耦合帶通濾波器的第二電壓控制振盪器的模擬相位雜訊對照偏移頻率。如第8B圖所示，第二電壓控制振盪器的相位雜訊在100kHz和1MHz偏移下提高6.8dB和4.6dB。
第9A圖是所量測振盪頻率的圖表902。圖表902包含兩條曲線904和906。曲線904包含對具有如本文所述的變壓器耦合帶通濾波器的電壓控制振盪器的振盪頻率對照控制電壓Vctrl2的模擬，並且曲線906表示了對相同電壓控制振盪器的振盪頻率對照控制電壓Vctrl2的實際量測。曲線902中所示的調諧範圍在27.2GHz與27.7GHz之間。控制電壓增大得越大，則模擬和量測的振盪頻率之間的差異越小，如第9A圖所示。
第9B圖是量測的相位雜訊的圖表904。圖表904包含兩條曲線908和910。曲線908是根據不具有如本文所述的變壓器耦合帶通濾波器的另一方法的第一電壓控制振盪器在27.4GHz處所測量的相位雜訊，而曲線910是具有如本文所述的變壓器耦合帶通濾波器的第二電壓控制振盪 器在27.4GHz處所測量的相位雜訊。與曲線908的量測的相位雜訊相比，曲線910的所量測相位雜訊改善了5dB。此種改進與第2A圖至第2B圖中論述的4.8dB相位雜訊降低一致。
第10圖是根據一個或多個實施例的用於產生振盪信號的方法1000的流程圖。方法1000可用於產生低相位雜訊的振盪信號。在步驟1002中，在變壓器耦合帶通濾波器的輸入端子(諸如該對耦合的變壓器400的端子424)處接收輸入電壓，諸如VG(第2A圖)。
在步驟1004中，在變壓器耦合帶通濾波器的電源輸入(諸如該對耦合的變壓器400的第一端子434)處接收電源供應電壓，諸如VDD。
在步驟1006中，將變壓器耦合帶通濾波器經由交叉耦合的電晶體對(諸如M1和M2)與控制電壓(諸如Vctrl2或Vctrl1)耦合。在一些實施例中，變壓器耦合帶通濾波器包含具有特定匝數比的一對耦合的變壓器。變壓器耦合帶通濾波器包含一對耦合的電容裝置。在一些實施例中，該對耦合的電容裝置中的第一電容裝置在一個端點處耦接到該對交叉耦合的電晶體中的第一電晶體的閘極，並且另一端點耦接到該對交叉耦合的電晶體中的第二電晶體的汲極，並且該對耦合的電容裝置中的第二電容裝置在一個端點處耦接到該對交叉耦合的電晶體對中的第一電晶體的汲極，並且另一端點耦接到該對交叉耦合的電晶體對中的第二電晶體的閘極。在一些實施例中，該對耦合的元件中的第一電容裝 置在一個端點處耦接到該對交叉耦合的電晶體中的第一電晶體的閘極，並且另一端點耦接到該對交叉耦合的電晶體中的第一電晶體的汲極，並且該對耦合的電容裝置中的第二電容裝置在一個端點處耦接到該對交叉耦合的電晶體中的第二電晶體的閘極，並且該另一端點耦接到該對交叉耦合的電晶體中的第二電晶體的汲極。
在步驟1008中，產生振盪信號，該振盪信號具有的頻率與參考電壓的頻率同步。
在一些實施例中，提供一電壓控制振盪器，該電壓控制振盪器包含一電源供應節點、一參考節點、一對交叉耦合的電晶體以及一變壓器耦合帶通濾波器。電源供應節點用以具有一電源供應電壓。參考節點用以具有一第一參考電壓。變壓器耦合帶通濾波器與該對交叉耦合的電晶體耦接，其中該對交叉耦合的電晶體和該變壓器耦合帶通濾波器位於該電源供應節點與該參考節點之間。
在一些實施例中，該變壓器耦合帶通濾波器包含一輸入節點，該輸入節點用以接收與該第一參考電壓不同的一第二參考電壓。
在一些實施例中，該變壓器耦合帶通濾波器包含一對耦合的變壓器，該對耦合的變壓器具有為1：2的一匝數比。
在一些實施例中，該變壓器耦合帶通濾波器包含一對耦合的電容裝置。
在一些實施例中，該電壓控制振盪器其中該對耦合的電容裝置中的一第一電容裝置耦接在該對交叉耦合的電晶體中的一第一電晶體的一閘極與該對交叉耦合的電晶體中的一第二電晶體的一汲極之間，並且該對耦合的電容裝置中的一第二電容裝置耦接在該對交叉耦合的電晶體中的該第一電晶體的該汲極與該對交叉耦合的電晶體中的該第二電晶體的該閘極之間。
在一些實施例中，該電壓控制振盪器其中該對耦合的電容裝置中的一第一電容裝置耦接在該對交叉耦合的電晶體中的一第一電晶體的一閘極與一汲極之間，並且該對耦合的電容裝置中的一第二電容裝置耦接在該對交叉耦合的電晶體的一第二電晶體的一閘極與一汲極之間。
在一些實施例中，該變壓器耦合帶通濾波器用以在基本上等於該變壓器耦合帶通濾波器之一截止頻率下限的兩倍的一頻率產生一傳輸零點。
在一些實施例中，提供一種帶通濾波器，該帶通濾波器包含一第一導電結構、第二導電結構、第三導電結構以及第四導電結構。該第一導電結構位於一積體電路的一第一金屬層中，該第一導電結構包含一第一端子、一第二端子和一第三端子。該第一端子在該第一導電結構的一第一端點處，以及該第二端子和第三端子在該第一導電結構的一第二端點處，該第二端點與該第一導電結構的該第一端點相對。該第二導電結構在該第一金屬層中，該第二導電結構包含輸入端子、複數個延伸部分。該輸入端子在該第二導電結 構的一第一端點處位於該第二端子和該第三端子之間。該些延伸部分位於該第二導電結構的一第二端點處，該第二端點與該第二導電結構的該第一端點相對，其中該些延伸部分沿著彼此相反的方向從該輸入端子延伸到該第一端子。該第三導電結構在該第一金屬層中，其中該第三導電結構的一第一端點連接到該第二導電結構的該些延伸部分中的一者，並且該第三導電結構的一第二端點定位在與該第三導電結構的該第一端點相對，該第三導電結構的該第二端點限定一第四端子。該第四導電結構在該第一金屬層中，該第四導電結構定位為與該第三導電結構相對，其中該第四導電結構的一第一端點連接至該第二導電結構的該些延伸部分中的另一者，並且該第四導電結構的一第二端點定位為與該第四導電結構的該第一端點相對，該第四導電結構的該第二端點限定一第五端子，其中該第二端子位於該第四端子與該輸入端子之間，並且該第三端子位於該第五端子與該輸入端子之間。
在一些實施例中，該帶通濾波器更包含複數個通孔，該些通孔用以將該第二導電結構電連接到該第三導電結構，並且將該第二導電結構電連接到該第四導電結構。
在一些實施例中，該帶通濾波器其中該第一端子耦接到一電源供應電壓源。
在一些實施例中，該帶通濾波器其中該輸入端子耦接到一第二金屬層以減小寄生電阻。
在一些實施例中，該帶通濾波器其中該第二端子和該第五端子各自耦接到一第一電容裝置。
在一些實施例中，該帶通濾波器其中該第三端子和該第四端子各自耦接到一第二電容裝置。
在一些實施例中，該帶通濾波器其中該第二端子和該第四端子各自耦接到一第一電容裝置。
在一些實施例中，該帶通濾波器其中該第三端子和該第四端子各自耦接到一第二電容裝置。
在一些實施例中，提供一種用於產生一振盪信號的方法，該方法包含：在一變壓器耦合帶通濾波器的一輸入端子處接收一輸入電壓、在該變壓器耦合帶通濾波器的一電源供應輸入端處接收一電源供應電壓、經由一交叉耦合的電晶體對將該變壓器耦合帶通濾波器與一參考電壓耦接，以及產生一振盪信號，該振盪信號的頻率與該參考電壓的該頻率同步。
在一些實施例中，在該輸入端子處接收該輸入電壓包含將該輸入電壓耦接到該變壓器耦合帶通濾波器的一對耦合的變壓器。
在一些實施例中，在該輸入端子處接收該輸入電壓包含將該對耦合的變壓器耦接到一對耦合的電容裝置。
在一些實施例中，將該變壓器耦合帶通濾波器與該參考電壓耦接包含為電流穩定性在一飽和區域中操作該交叉耦合的電晶體。
在一些實施例中，產生該振盪信號包含藉由該變壓器耦合帶通濾波器減小具有大於2f0的頻率分量的相位 雜訊，其中f0是該變壓器耦合帶通濾波器的一截止頻率下限。
本說明書的另一方面係關於一種用於產生振盪信號的方法。該方法包含在變壓器耦合帶通濾波器的輸入端子處接收輸入電壓。此外，該方法包含在變壓器耦合帶通濾波器的電源輸入端處接收電源供應電壓。變壓器耦合帶通濾波器經由交叉耦合的電晶體對而與參考電壓耦合。此外，該方法包含產生振盪信號，該振盪信號的頻率與參考電壓的頻率同步。
先前概述了若干實施例的特徵，使得本領域技藝人士可以更好地理解本案的各方面。本領域技藝人士應當理解，他們可以容易地使用本案作為設計或修改其他製程和結構的基礎，以實現與本文介紹的實施例相同的目的及/或實現與本文介紹的實施例相同的優點。本領域技藝人士亦應當認識到，此類等同構造不脫離本案的精神和範圍，並且在不脫離本案的精神和範圍的情況下，他們可以在本文中進行各種改變、替換和變更。
100:電壓控制振盪器
102:諧振器
104、108:T型偏壓器電路/T型偏壓電路
106:變壓器耦合帶通濾波器
114、116、118、120、122、124、126、128、130、132、134、136、138、140:節點
144、146:極性點
L1、L2:電感器
M1、M2、M3、M4:電晶體
CR1、CR2:核心
C1、Cc1、Cc2、C2、C3、C4、C5、C6:電容裝置
T1、T2:變壓器
W1、W4:初級繞組
W2、W3:次級繞組
R1、R2:電阻器
VBUF:DC電壓電源
VDD:電源供應源
VG:電壓源
Vctrl1:第一控制電壓
Vctrl2:第二控制電壓源

Claims (10)

  1. 一種電壓控制振盪器，包含：一電源供應節點，用以具有一電源供應電壓；一參考節點，用以具有一第一參考電壓；一對電晶體；以及一變壓器耦合帶通濾波器，與該對電晶體的一第一電晶體的一汲極端子在一第一節點耦接，與該第一電晶體的一閘極端子在一第二節點耦接，與該對電晶體的一第二電晶體的一閘極端子在一第三節點耦接，以及與該第二電晶體的一汲極端子在一第四節點耦接，其中該對電晶體和該變壓器耦合帶通濾波器位於該電源供應節點與該參考節點之間，以及該變壓器耦合帶通濾波器包含一第一電容裝置及一第二電容裝置，該第一電容裝置包含連接到該第一節點的一端點以及連接到該第二節點或該第三節點的另一端點，該第二電容裝置包含連接到該第四節點的一端點以及連接到該第二節點或該第三節點的另一端點。
  2. 如第1項所述的電壓控制振盪器，其中該變壓器耦合帶通濾波器包含一輸入節點，該輸入節點用以接收與該參考電壓不同的一控制電壓。
  3. 如第1項所述的電壓控制振盪器，其中該變壓器耦合帶通濾波器包含一對耦合的變壓器，該對耦合的變壓器具有為1：2的一匝數比。
  4. 如第1項所述的電壓控制振盪器，其中該變壓器耦合帶通濾波器用以在基本上等於該變壓器耦合帶通濾波器的一截止頻率下限的兩倍的一頻率產生一傳輸零點。
  5. 如第1項所述的電壓控制振盪器，其中該第一電晶體與該第二電晶體中的每一者包含連接至該參考節點的一源極端子；其中該變壓器耦合帶通濾波器更包含：一第一繞組，耦接在該第一節點與該電源供應節點之間；一第二繞組，耦接在該第二節點與該輸入節點之間；一第三繞組，耦接在該第三節點與該輸入節點之間；以及一第四繞組，耦接在該第四節點與該電源供應節點之間，其中該第一與該第二繞組共用一第一核心，以及該第三與該第四繞組共用一第二核心。
  6. 一種帶通濾波器，包含： 一第一導電結構、位於一積體電路的一第一金屬層中，該第一導電結構包含：在該第一導電結構的一第一端點處的一第一端子；以及在該第一導電結構的一第二端點處的一第二端子和一第三端子，該第二端點與該第一導電結構的該第一端點相對；一第二導電結構、在該第一金屬層中，包含：一輸入端子，在該第二導電結構的一第一端點處位於該第二端子和該第三端子之間；以及複數個延伸部分，位於該第二導電結構的一第二端點處，該第二端點與該第二導電結構的該第一端點相對，其中該些延伸部分沿著彼此相反的方向從該輸入端子延伸到該第一端子；一第三導電結構，在該第一金屬層中，其中該第三導電結構的一第一端點連接到該第二導電結構的該些延伸部分中的一者，該第三導電結構的一第二端點定位在與該第三導電結構的該第一端點相對，以及該第三導電結構的該第二端點限定一第四端子；以及一第四導電結構，在該第一金屬層中，該第四導電結構定位為與該第三導電結構相對，其中該第四導電結構的一第一端點連接至該第二導電結構的該些延伸部分中的另一者，該第四導電結構的一第二端點定位為與該第四導電結構的該第一端點相對，以及該第四導電結構的該第二端點限定一第五端子， 其中該第二端子位於該第四端子與該輸入端子之間，並且該第三端子位於該第五端子與該輸入端子之間。
  7. 如第6項所述的帶通濾波器，其中該第二端子和該第五端子各自耦接到一第一電容裝置；其中該第三端子和該第四端子各自耦接到一第二電容裝置。
  8. 一種用於產生一振盪信號的方法，該方法包含；在一變壓器耦合帶通濾波器的一第一繞組與一第二繞組處接收一輸入電壓；在該變壓器耦合帶通濾波器的一第三繞組與一第四繞組處接收一電源供應電壓；在包含一對電晶體的一諧振器部件處接收一控制電壓；經由該對電晶體將該變壓器耦合帶通濾波器的該第一至第四繞組中的每一者與一參考電壓耦接；以及產生一振盪信號，該振盪信號的頻率對應於該控制電壓的一電壓電平；其中該第一繞組與該第三繞組共用一第一核心，以及該第二繞組與該第四繞組共用一第二核心。
  9. 如第8項所述的用於產生該振盪信號的方法，其中將該變壓器耦合帶通濾波器與該參考電壓耦接包含：為電流穩定性在一飽和區域中操作該對電晶體。
  10. 如第8項所述的用於產生該振盪信號的方法，其中產生該振盪信號包含：通過該變壓器耦合帶通濾波器減小具有大於2f0的頻率分量的相位雜訊，其中f0是該變壓器耦合帶通濾波器的一截止頻率下限。
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