TWI772798B - 電壓控制振盪器、振盪器以及產生振盪信號的方法 - Google Patents

電壓控制振盪器、振盪器以及產生振盪信號的方法 Download PDF

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TWI772798B
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林紀賢
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台灣積體電路製造股份有限公司
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B5/00—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input
    • H03B5/30—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator
    • H03B5/32—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator being a piezoelectric resonator

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  • Inductance-Capacitance Distribution Constants And Capacitance-Resistance Oscillators (AREA)
  • Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)

Abstract

一種電壓控制振盪器(voltage-controlled oscillator，VCO)，包括與第二電晶體交叉耦合的第一電晶體，及變壓器耦合帶通濾波器(transformer-coupled bandpass filter，BPF)，此濾波器包括第一變壓器及第二變壓器。第一變壓器用以控制第一電晶體的閘極及汲極端子，而第二變壓器用以控制第二電晶體的閘極及汲極端子。一種振盪器以及一種產生振盪信號的方法亦在此揭露。

Description

電壓控制振盪器、振盪器以及產生振盪信號的方法
本案的實施例是關於電壓控制振盪器、振盪器以及產生振盪信號的方法，特別是關於變壓器耦合帶通濾波器的電壓控制振盪器、振盪器以及產生振盪信號的方法。
積體電路(Integrated circuit，IC)有時包括一或更多個振盪器電路，此些振盪器電路產生頻率範圍從數赫茲到數百千兆赫(GHz)的信號。頻率取決於電路設計，並且在一些情況下取決於一個或多個電路輸入信號值。電壓控制振盪器(voltage controlled oscillator，VCO)是具有輸出信號的振盪器，此輸出信號的輸出可在某一範圍內變化，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。藉由改變輸入電壓來調節輸出信號的輸出頻率。
根據本案的一實施例揭露一個電壓控制振盪器(VCO)包括與第二電晶體交叉耦合的第一電晶體，及包 括第一變壓器及第二變壓器的變壓器耦合帶通濾波器(變壓器耦合BPF)。第一變壓器用以控制第一電晶體的閘極及汲極端子，而第二變壓器用以控制第二電晶體的閘極及汲極端子。
根據本案的一實施例揭露一種振盪器，包括用以具有第一偏置電壓的第一節點、用以具有第二偏置電壓的第二節點、用以具有參考電壓的參考節點、輸出端子、前級及耦合在輸出端子與前級的第三端子之間的變壓器耦合帶通濾波器。前級包括耦合到輸出端子的第一端子及耦合到第一節點、第二節點或參考節點之一的第二端子。前級括電晶體，電晶體包括汲極端子、源極端子及閘極，其中汲極端子或源極端子對應於第一端子，閘極或汲極端子對應於第二端子，以及汲極端子、源極或閘極端子對應於前級的第三端子。變壓器耦合帶通濾波器包括中心分接頭，中心分接頭耦接至第一節點或第二節點。
根據本案的一實施例揭露一種振盪器根據本案的另一實施例揭露一種產生振盪信號的方法，包括以下操作：在變壓器耦合帶通濾波器之第一繞組的第一端子與第二繞組的第一端子的每一者處接收參考電壓，其中變壓器耦合帶通濾波器與回饋振盪器之前級交叉耦合；在第一繞組的分接頭接收第一直流電壓；以及回應於第一直流電壓，使用前級與變壓器耦合帶通濾波器以在回饋振盪器的輸出端子產生振盪信號。
100,202,1100A,1100B:電壓控制振盪器(VCO)
102,1102:諧振器
104,108:偏置-T電路
500,502,600,700,1106,1112,1320B,1320C,1320D,1320E,1420,1500,1600,1700,1800,1900,2000,2100:變壓器耦合帶通濾波器(BPF)
106:帶通濾波器
114,116,118,120,122,124,126,128,130,132,134,136,138,140,N1,N2:節點
144,146:極性點
L1,L2,L3:電感器
M1,M2,M3,M4,M5,M6,M7:電晶體
CR1,CR2:核心
C1,Cc1,Cc2,Cc3,Cc4,C2,C3,C4,C5,C6,Cb,CC:電容元件
T1,T2,T3,400,1500T,1600T,1700T,1800T:變壓器
W1,W4,W5:初級繞組
W2,W3,W6: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BPF
206:輸出
208:第二BPF
210:輸出信號
G1,G2,D1,D2:信號
212,214:加法器
216,218:電導元件
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
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,A1,A2,A3,F1,F2,F3,F4: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
602:金屬層
714,716:區域
604,800,802,902,904:圖表
1000,2200:方法
1002,1004,1006,1008,2220,2230:步驟
CD1,CD2,CD,1900CD,2000CD,2100CD:耦合元件
IN1,IN2:輸入端子
1200A,1200B:VCO電路
1300,1300B,1300C,1300D,1300E:回饋振盪器
1310,1310B,1310C,1310D,1310E:前級
1320:回饋網路
VOUT,VOUTP,VOUTN:信號
OUT,OUTP,OUTN:輸出端子/輸出節點
V1,V2:電壓
PT,ST:分接頭
VR:參考電壓
NR:參考節點
1400,1400B:差分振盪器
1430,1430B:差分電路
當結合附圖閱讀時，從以下詳細描述可以最好地理解本揭露的各方面。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圖是根據一些實施例的電壓控制振盪器(voltage controlled oscillator，VCO)的示意圖；第2A圖至第2B圖是根據一些實施例的VCO的相位雜訊效能的示意圖及圖表；第3圖是根據一些實施例的VCO的傳輸係數的圖表；第4圖是根據一些實施例的變壓器耦合帶通濾波器(transformer-coupled bandpass filter，BPF)的變壓器的示意圖；第5A圖至第5B圖是根據一些實施例的變壓器耦合BPF的示意圖；第6A圖至第6B圖分別是根據一些實施例的變壓器耦合BPF的示意圖及變壓器耦合BPF的分離圖；第7圖是根據一些實施例的變壓器耦合BPF的示意圖；第8A圖至第8B圖是根據一些實施例的VCO的雜訊抑制的圖表；第9A圖至第9B圖是根據一些實施例的VCO的量測的振盪頻率及量測的相位雜訊的圖表；第10圖是根據一或更多個實施例的用於產生振盪信號的方法的流程圖； 第11A圖及第11B圖是根據一些實施例的VCO的示意圖；第12A圖及第12B圖是根據一些實施例的VCO電路的示意圖；第13A圖至第13E圖是根據一些實施例的回饋振盪器的示意圖；第14A圖及第14B圖是根據一些實施例的差分振盪器的示意圖；第15A圖至第21B圖是根據一些實施例的變壓器耦合BPF的示意圖；以及第22圖是根據一些實施例的產生振盪信號的方法的流程圖。
以下揭示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。下文描述了部件、值、操作、材料、佈置等的特定實例以簡化本揭示案的一實施例。此等當然僅僅是實例，而並非意欲為限制性的。可設想其他部件、值、操作、材料、佈置等。例如，在接下來的描述中在第二特徵件上方或之上形成第一特徵件可包括其中第一及第二特徵件形成為直接接觸的實施例，並且亦可包括其中可在第一及第二特徵件之間形成有額外特徵件，使得第一及第二特徵件可不是直接接觸的實施例。此外，本揭示案的一實施例可重複各種實例中的參考元件及/或字 母。此重複是為了簡單及清楚的目的，並且本身並不規定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(Voltage controlled oscillator，VCO)用作鎖相迴路(phase locked loop，PLL)的一部分，以使VCO頻率與參考頻率同步。當輸出端出現短期隨機頻率信號波動(稱為相位雜訊)時，VCO輸出的品質會受損。相位雜訊引入了改變VCO輸出的二階及三階諧波頻譜分量。對於要在某些毫米波應用(mmWave)(30GHz-300GHz)下操作的VCO，VCO需要控制在VCO輸出端處出現的相位雜訊的量。
第1A圖是根據一些實施例的VCO100的示意圖。VCO100具有兩個部件：諧振器102及變壓器耦合帶通濾波器(transformer-coupled bandpass filter，BPF)106。諧振器102用於VCO100的頻率偵測及複製。諧振器102包括兩個偏置T形(偏置-T)電路104及108，此兩個偏置T形(偏置-T)電路104及108提供DC電壓或DC電流以偏置諧振器102。偏置-T電路104包括電感器L1、節點114及電容元件C1。電感器L1的一個端部連接至節點114，且另一端部連接至DC電壓電源(VBUF)。電容元件C1的一個端部連接至節點114，且另一端部連接至電阻器R1。電阻器R1的另一端部連接至接地源極。偏置-T電路108包括電感器L2、節點116及電容元件C2。電感器L2的一個端部連接至節點116，且另一端部連接至DC電壓電源(VBUF)。電容元件C1的 一個端部連接至節點116，且另一端部連接至電阻器R2。電阻器R2的另一端部連接至接地源極。偏置-T電路104及108用於向電晶體M3及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。可變電容元件C6的一個端部連接至節點118，且另一端部連接至電氣節點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。可變電容元件C3的一個端部連接至節點122，且另一端部連接至節點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。可變電容元件C5的一個端部連接至節點128，且另一端部連接至節點132。可變電容元件C4的一個端部連接至節點130，且另一端部連接至節點132。節點132連接至第二控制電壓源(Vctrl2)。電晶體M1及M2用以形成一對交叉耦合的電晶體。
變壓器耦合BPF106包括一對耦合的變壓器T1及T2，及一對耦合的電容元件Cc1及Cc2。變壓器T1包括初級繞組W1、次級繞組W2及核心CR1。變壓器T2包括次級繞組W3、初級繞組W4及核心CR2。變壓器T1 及T2用以在此實施例中作為1：2變壓器一起操作，然而，在其他實施例中，變壓器T1及T2根據VCO的功率考量而具有不同的變壓器實施方式。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的一個端部連接至節點134並且另一個端部連接至供電電源(power supply source，VDD)。次級繞組W2的一個端部連接至節點138並且另一個端部連接至電壓源(VG)，並且次級繞組W3的一個端部連接至節點136並且另一個端部連接至電壓源(VG)。初級繞組W4的一個端部連接至節點140並且另一個端部連接至供電電源(VDD)。電容元件Cc1連接在節點134與136之間。電容元件Cc2連接在節點138與140之間。此對耦合的電容元件Cc1及Cc2與變壓器T1及T2的耦合形成BPF。
節點134至節點124、節點136至節點130、節點138至節點128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BPF106。
第1B圖是根據一個實施例的VCO110的示意圖。VCO110包括諧振器部件102。VCO110與VCO100的不同之處在於在與VCO110連接的變壓器耦合BPF112的配置。變壓器耦合BPF112類似於變壓器耦合BPF106，區別在於此對耦合的電容元件Cc1及Cc2的連接。在VCO110中，電容元件Cc1連接在節點134與節點138之間，並且電容元件Cc2連接在節點136與節點140之間。 VCO110的電容元件Cc1及Cc2的兩個端部連接至相同的變壓器T1及T2的端子，此與VCO100的電容元件Cc1及Cc2的連接不同。
此對交叉耦合的電晶體M1及M2用以產生負電阻以補償來自變壓器耦合BPF106的信號損失。電晶體M1及M2在飽和區中操作以實現電流穩定性，以減小由電晶體M1及M2中的電荷俘獲及釋放引起的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(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BPF106及112使用一對耦合的電容元件Cc1及Cc2來過濾及減少由較高諧波(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BPF106或112的截止頻率下限。電容元件Cc1及Cc2各自耦合到此對耦合的變壓器T1及T2，以形成變壓器耦合BPF106或112。變壓器耦合BPF106或112的頻率響應包括額外的傳輸零點，該額外的傳輸零點被定義為頻率響應產生幾乎為零的值時的頻率。電容元件，如Cc1及Cc2，由於濾波而增加了系統頻率響應中的傳輸零點的數目。變壓器耦合BPF106或112的傳輸零點出現在截止頻率下限的兩倍處(2f0)，其中所述截止頻率下限(f0)是變壓器耦合BPF106或112的最低轉角頻率。此外，此對耦合的電容元件Cc1及Cc2用以使得變壓器耦合BPF包括在由第二諧波及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BPF106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、場效應電晶體(field effect transistor，FET)等。在一些實施例中，電晶體M1-M4是金氧半導體場效應電晶體(metal-oxide semiconductor field-effect transistor，MOSFET)，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VCO外部或內部接地至VCO。在一些實施例中，可變電容元件C3-C6是變容器結構等，此些可變電容元件C3-C6允許電容基於電壓或電流而改變。
第2A圖是根據一個實施例的VCO202的回饋電路的示意圖。VCO202包括具有增益m1的第一BPF204，此第一BPF204接收信號D1作為輸入。第一BPF204產生輸出206，此輸出206是增益m1與D1相乘的結果。具有增益m2的第二BPF208接收信號D2作為輸入。第二BPF208產生輸出信號210，此輸出信號210是增益m2與D2相乘的結果。加法器212接收信號206及信號D2作為輸入，並輸出信號G2。加法器214接收信號210及信號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220用以包括電導裝置216及加法器214，因此信號D1產生一致 的結果。回饋臂222用以包括電導裝置218及加法器212，因此信號D2產生一致的結果。
在一些實施例中，增益m1及m2與如本文所述的一對耦合的變壓器(例如，「T1」及「T2」)中的每個變壓器的匝數比相關。在一些實施例中，增益m1及m2為相同或不同的。在一些實施例中，電導裝置216及218是第1A圖及第1B圖的一對耦合的變壓器T1及T2中的每個變壓器的電導。在一些實施例中，電導裝置216及218包括VCO202外部的電路。
BPF204及208藉由將增益m1及m2施加到信號D1及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及D2為基本上相似的，增益m1及m2為2，並且BPF204及206所使用的變壓器的匝數比為2。此外，所有寄生損耗都可忽略不計。使用此等參數，基於VCO202的回饋電路及以下等式，G1(PG1)的信號功率為D1(PD1)的信號功率的約三倍：PD1+m2PD2=PG1若PD1=PD2並且m1=m2=2則PG1=3PD1。
由於BPF204及208的相位雜訊抑制，雜訊功率不會增加。VCO202產生約10log(1/3)
Figure 109116451-A0305-02-0012-2
-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及D2不相似。
第2B圖是根據一些實施例的VCO202的相位雜訊效能224的圖表。曲線224是以分貝(dB)對比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位準下降，如曲線224所示。
第3圖是根據一些實施例的VCO的傳輸係數的圖表300。VCO的傳輸係數表示VCO輸出的幅度及功率。曲線300包括曲線302及曲線304。曲線302包括根據不具有如本文所述的變壓器耦合BPF的方法的一對耦合的變壓器的傳輸係數對比頻率，並且曲線304包括第1A圖或第1B圖的變壓器耦合BPF(例如，「106」或「112」)的傳輸係數對比頻率。在此種情況下，變壓器耦合BPF具有約28GHz的截止頻率下限(f0)。曲線304包括的傳輸零點在約56GHz或(2f0)處，與曲線302的相同點相比降低超過14dB。在84GHz處，曲線304包括相對於曲線302約14dB的下降。此對耦合的電容器濾除了相位雜訊的較高頻率分量。
第4圖是根據一些實施例的在變壓器耦合BPF中使用的一對耦合的變壓器400的示意圖。此對耦合的變壓器400用於兩個堆疊的金屬層佈置。此對耦合的變壓器包括形成在金屬層上的多個導電結構406、412及414。此外，此對耦合的變壓器400包括形成在金屬層上的導電結構418，此導電結構418具有在此耦合的變壓器400的一個端部處的第一端子434，其中兩個延伸部分438從第一端子434延伸至在相對端部處的兩個端子422及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及W4。
導電結構412包括位於導電結構412的一個端部處的端子424及位於導電結構412的相對端部處的兩個相對延伸的部分436。此兩個相對延伸的部分436從端子424延伸。導電結構406包括第一端部，此第一端部連接至延伸部分436中在第一端子434附近的一個延伸部分。導電結構406包括端子420，所述端子420位於與第一端部相對的端部處。導電結構414包括第一端部，此第一端部連接至此導電結構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包括端子428，所述端子428位於與第一端部相對的端部處。導電結構406及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及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及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及418的其他部分包括端子420、422、424、426及428，此等端子420、422、424、426及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及428類似的尺寸。此外，通孔結構430用以在端子420與424之間及端子424與428之間進行連接。
在一些實施例中，第一基板404及第二基板416是分離的基板。在一些實施例中，第一基板404及第二基板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及432是方形通孔。在一些實施例中，通孔結構430及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及432是穿矽通孔。在一些實施例中，通孔結構430及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及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及/或432被分層金屬對替代，以形成與導電結構406、412、414及418的互連。
第5A圖是根據一些實施例的變壓器耦合BPF500的示意圖。變壓器耦合BPF500包括一對耦合的變壓器，此對耦合的變壓器類似於第4圖的一對耦合的變壓器400。此外，第5A圖包括的一對耦合的電容元件Cc1及Cc2的耦合佈置與第1A圖中變壓器耦合BPF106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。耦合的電容元件Cc1的一個端部連接至端子420，並且另一端部連接至端子426。耦合的電容元件Cc2的一個端部連接至端子422，並且另一端部連接至端子428。變壓器耦合BPF500是第1A圖的變壓器耦合BPF106的一個實施例。
第5B圖是根據一些實施例的變壓器耦合BPF502的示意圖。變壓器耦合BPF500包括一對耦合的變壓器，此對耦合的變壓器類似於第4圖的一對耦合的變壓器400。此外，第5B圖包括的耦合佈置與第1B圖中變壓器耦合BPF112的此對耦合的電容元件Cc1及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。耦合的電容元件Cc1的一個端部連接至端子420，並且另一端部連接至端子422。耦合的電容元件Cc2的一個端部連接至端子426，並且另一端部連接至端子428。變壓器耦合BPF502是第1B圖的變壓器耦合BPF112的一個實施例。
變壓器耦合BPF500及502具有的特性與本文關於第1A圖及第1B圖的變壓器耦合BPF106及112所述的特性類似。特別而言，變壓器耦合BPF500及502具有為截止頻率下限的兩倍的傳輸零點(2f0)。此外，變壓器耦合BPF500及502濾除由第二諧波及第三諧波貢獻的相位雜訊，如本文所述。
第6A圖是根據一些實施例的變壓器耦合BPF600的示意圖。變壓器耦合BPF600類似於第5B圖 中所述的變壓器耦合BPF502。第6A圖包括耦合到最低金屬層602的端子424，並且此對電容元件Cc1及Cc2與圖5B的變壓器耦合BPF502類似地佈置。金屬層602用以耦合到電壓源(VG)。此外，變壓器耦合BPF600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BPF600中的增加的隔離相關。
第6B圖是隔離對比寬度比(W1/W2)的圖表。曲線604包括兩條曲線606及608。曲線606包括在28GHz下操作的變壓器耦合BPF的隔離對比寬度比，並且曲線608包括在56GHz下操作的變壓器耦合BPF的隔離對比寬度比。寬度比越高，則隔離越好，如曲線606及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及56GHz下，使用8或更高的寬度比。
第7圖是根據一些實施例的變壓器耦合帶通濾波器(BPF)700的示意圖。變壓器耦合BPF700類似於第6A圖中描述的變壓器耦合BPF600。此外，第7圖包括一對耦合的電容元件Cc1及Cc2，此對耦合的電容元件Cc1及Cc2位於變壓器耦合BPF700的區域714及716下方的下部金屬層處。將此對耦合的電容元件Cc1及Cc2放置在變壓器下方的下部金屬層處允許此對耦合的電容元件Cc1及Cc2與變壓器耦合BPF700的其他操作元件之間的充分分離。此分離降低了由耦合的電容元件Cc1及Cc2引 入的寄生電容對變壓器耦合BPF700的其餘操作元件的效應。此外，變壓器耦合BPF700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此對耦合的電容元件。
第8A圖是根據一些實施例的VCO的輸出功率的圖表800。特定而言，圖表800包括根據不具有如本文所述的變壓器耦合BPF的另一方法的第一VCO與根據具有如本文所述的變壓器耦合BPF的方法的第二VCO在基頻及數個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VCO產生22dB的相位雜訊下降，並且第二VCO產生更大的28dB下降。在第三諧波(84GHz)及第四諧波(112GHz)處，由於如本文所述的變壓器BFF的濾波特性，第二VCO相對於第一VCO產生更大的相位雜訊下降。
第8B圖是根據一些實施例的VCO的雜訊抑制的圖表。在此種情況下，第8B圖包括圖表802，所述圖表802具有兩條曲線804及806。曲線804是根據不具有如本文所述的變壓器耦合BPF的另一方法的第一VCO的模擬相位雜訊對比偏置頻率，並且曲線806是具有如本文所述的變壓器耦合BPF的第二VCO的模擬相位雜訊對比偏置頻率。如第8B圖所示，第二VCO的相位雜訊在100kHz及1MHz偏置下提高6.8dB及4.6dB。
第9A圖是量測的振蕩頻率的圖表902。圖表902包括兩條曲線904及906。曲線904包括對具有如本文所 述的變壓器耦合BPF的VCO的振盪頻率對比控制電壓(Vctrl2)的模擬，並且曲線906圖示了對相同VCO的振盪頻率對比控制電壓(Vctrl2)的實際量測。圖表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，則模擬及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包括兩條曲線908及910。曲線908是所測量的根據不具有如本文所述的變壓器耦合BPF的另一方法的第一VCO在27.4GHz處的相位雜訊，而曲線910是所測量的具有如本文所述的變壓器耦合BPF的第二VCO在27.4GHz處的相位雜訊。與曲線908的量測的相位雜訊相比，曲線910的量測的相位雜訊改善了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BPF的輸入端子(如此對耦合的變壓器400的端子424)處接收輸入電壓，如VG(第2A圖)。
在步驟1004中，在變壓器耦合BPF的電源輸入(如此對耦合的變壓器400的第一端子434)處接收電源電壓，如VDD。
在步驟1006中，將變壓器耦合BPF經由交叉耦合的電晶體對(如M1及M2)與控制電壓(如Vctrl2或 Vctrl1)耦合。在一些實施例中，變壓器耦合BPF包括具有特定匝數比的一對耦合的變壓器。變壓器耦合BPF包括一對耦合的電容元件。在一些實施例中，此對耦合的電容元件中的第一電容元件的一個端部耦合到一對交叉耦合的電晶體中的第一電晶體的閘極，並且另一端部耦合到此對交叉耦合的電晶體中的第二電晶體的汲極，並且此對耦合的電容元件中的第二電容元件的一個端部耦合到此對交叉耦合的電晶體對中的第一電晶體的汲極，並且另一端部耦合到此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，此對耦合的元件中的第一電容元件的一個端部耦合到此對交叉耦合的電晶體中的第一電晶體的閘極，並且另一端部耦合到此對交叉耦合的電晶體中的第一電晶體的汲極，並且此對耦合的電容元件中的第二電容元件的一個端部耦合到此對交叉耦合的電晶體中的第二電晶體的閘極，並且此另一端部耦合到此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，此振盪信號具有的頻率與參考電壓的頻率同步。
第11A圖及第11B圖是根據一些實施例的相應的VCO1100A及1100B的示意圖。VCO1100A對應於上文關於第1A圖論述的VCO100，並且在一些實施例中等同於VCO100，如下所述。VCO1100B對應於上文關於第1B圖論述的VCO110，並且在一些實施例中等同於VCO110，如下所述。
每個VCO1100A及1100B包括供電電源VDD及電壓源VG、諧振器1102，及在一些實施例中，耦合在供電電源VDD與接地源極之間的電容元件Cb，其中供電電源VDD及電壓源VG各自在上文關於VCO100及110及第1A圖及第1B圖進行了論述。VCO1100A亦包括變壓器耦合BPF1106，且VCO1100B亦包括變壓器耦合BPF1112。
變壓器耦合BPF1106對應於上文關於VCO100及第1A圖論述的變壓器耦合BPF106，並且在一些實施例中等同於變壓器耦合BPF106，如下所述。變壓器耦合BPF1112對應於上文關於VCO110及第1B圖論述的變壓器耦合BPF112，並且在一些實施例中等同於變壓器耦合BPF112，如下所述。
變壓器耦合BPF1106及1112中的每一個都包括各自的變壓器耦合BPF106及112的電路元件及配置，除了變壓器耦合BPF1106及1112中的每一個都包括耦合元件CD1及CD2，而不是電容元件Cc1及Cc2。
耦合元件如耦合元件CD1或CD2，是包括一或更多個積體電路結構的積體電路元件，此些積體電路結構用以在兩個端子，例如耦合到如第11A圖及第11B圖所示的節點134、136、138及140的端子之間提供阻抗，例如電容及/或電感路徑。在各種實施例中，耦合元件包括以下各者中一或更多者：電容元件，例如平板電容器，例如金屬-絕緣體-金屬(metal-insulator-metal，MIM) 電容器、電容器配置的MOS元件，或者可調電容器，例如MOSCAP，電容器網路，液晶網路，或者能夠提供路徑阻抗的另一種積體電路結構。在各種實施例中，耦合元件是在相應的第19A圖至第21B圖中繪示的耦合元件1900C-2100C中的一個，並在下文論述。
在一些實施例中，耦合元件等同於電容元件。在一些實施例中，透過包括電容元件及除電容元件之外的一或更多個元件，耦合元件能夠具有不同於電容元件單獨的頻率特性。在各種實施例中，耦合元件因此能夠具有多個傳輸零點，因而比起僅包括電容元件的電路，包括耦合元件的電路在操作中表現出改善的諧波抑制。
在一些實施例中，耦合元件是電容元件Cc1或Cc2之一。在一些實施例中，變壓器耦合BPF1106或1112中的一個或兩個包括電容元件Cc1及Cc2作為各自的耦合元件CD1及CD2，並且因此等同於變壓器耦合BPF106或112中的對應一者或兩者。
諧振器1102包括DC電壓電源VBUF、控制電壓Vctrl1及Vctrl2、偏置-T電路104及108、電晶體M1-M4及電容元件C3-C6，皆如以上關於諧振器102及第1A圖及第1B圖所論述的配置。與上文論述的諧振器102相比，第11A圖及第11B圖中繪示的諧振器1102不包括電阻器R1及R2，而是包括相應的輸入端子IN1及IN2。在一些實施例中，諧振器1102包括耦合在輸入端子IN1與接地電壓之間的電阻器R1(第11A圖及第 11B圖中未圖示)，及耦合在輸入端子IN2與接地電壓之間的電阻器R2(第11A圖及第11B圖中未圖示)，因此等同於諧振器102。
在各種實施例中，輸入端子IN1或IN2中的一個或兩個耦合到諧振器1102外部的一或更多個電路元件(未圖示)，並由此用以基於DC電壓電源VBUF及偏置-T電路104或108中的相應一者來控制相應節點114或116處的電壓位準。與上文論述的包括諧振器102的VCO100及110相比，包括諧振器1102的VCO1100A及1100B因此用以在操作中具有增加的偏置靈活性。
電容元件Cb是耦合在供電電源VDD與接地電壓之間的電容器、MOSFET或類似的積體電路元件。電容元件Cb由此為工作中的交流電(alternating current，AC)信號提供了供電電源VDD與接地電壓之間的低電阻路徑，並且VCO1100A及1100B中的每一個由此用以減少射頻(radio frequency，RF)及/或低頻雜訊的效應，例如偏置網路中的可能振盪。與VCO100及110相比，包括電容元件Cb的VCO1100A及1100B因此用以具有增加的穩定性。
藉由上述配置，VCO1100A及1100B中的每一個能夠實現以上關於VCO100及110論述的益處，及上述增加的諧波抑制、靈活性及/或穩定性。
在一些實施例中，VCO1100A包括等同於變壓器耦合BPF106的變壓器耦合BPF1106、等同於諧振器 102的諧振器1102，並且不包括電容元件Cb，例如，電容元件Cb在VCO1100A的外部，並且VCO1100A因此等同於上文關於第1A圖論述的VCO100。在一些實施例中，VCO1100B包括等同於變壓器耦合BPF112的變壓器耦合BPF1112、等同於諧振器102的諧振器1102，並且不包括電容元件Cb，例如，電容元件Cb在VCO1100B的外部，並且VCO1100B因此等同於上文關於第1B圖論述的VCO110。
表1列出了各種已知方法的參數，其中與VCO1100A的非限制性實例相比，VCO不包括變壓器耦合BPF。第一欄包括參考數字或VCO1100A的非限制性實例，第二欄指示對應於每種方法的CMOS或絕緣體上矽(SOI)技術。第三至第八欄分別指示對應電源電壓位準、載波頻率、1兆赫(MHz)相位雜訊位準、功耗位準、相位雜訊品質因數(figure of merit，FoM)及與每種方法對應的核心面積。
Figure 109116451-A0305-02-0024-1
如表1所示，VCO1100A的非限制性實例提供了相對低功率、小面積的方法，與所考慮的其他方法相比，此方法具有至少同等的效能參數。
第12A圖及第12B圖是根據一些實施例的各個VCO電路1200A及1200B的示意圖。VCO電路1200A(相當於VCO1100A或VCO1100B的一部分)及VCO電路1200B(VCO電路1200A的替代表示)繪示了說明VCO1100A及1100B的操作的等效電路，如下所述。
VCO電路1200A包括變壓器T1，變壓器T1包括繞組W1及W2，變壓器T2包括繞組W3及W4，電容元件C3-C6，及節點120及124-140，每個都參考第1A圖、第1B圖、第11A圖及第11B圖在上文論述，及耦合元件CD1及CD2，在上文參考第11A圖及第11B圖論述。在第12A圖所示的實施例中，耦合元件CD1耦合在節點134與138之間，耦合元件CD2耦合在節點136與140之間，因此，VCO電路1200A對應於VCO1100B的一部分。在一些實施例中，耦合元件CD1被耦合在節點134與136之間，耦合元件CD2被耦合在節點138與140之間，並且VCO電路1200A因此對應於VCO1100A的一部分。
第12A圖繪示了操作中的VCO電路1200A的DC偏置，其中電壓源VG施加在繞組W2與W3之間，供電電源VDD施加在繞組W1與W4之間，控制電壓Vctrl1施加在節點120處，且控制電壓Vctrl2施加在節點132 處。對於響應於所施加的電壓而產生的AC信號(未圖示)，所施加的電壓可共同被認為是虛擬接地，在一些實施例中亦稱為AC接地。
藉由上述配置，在操作中，相對於虛擬接地的AC信號在節點128處具有正180°相移，在節點126處相對於節點124及130中的每一個處的零相位具有負180°相移。因為節點128耦合到第1A圖、第1B圖、第11A圖及第11B圖所示的電晶體M1的閘極，所以節點126耦合到第1A圖、第1B圖、第11A圖所示的電晶體M2的汲極端子，節點124耦合到電晶體M1的汲極端子，並且節點130耦合到電晶體M2的閘極。在操作中，電晶體M1及M2中的每一者經歷180°相移，使得包括如上所述配置的電晶體M1及M2在內的每個VCO100、110、1100A及1100B響應於所施加的電壓而振盪。
第12B圖繪示了等同於對應於電晶體T1及T2中的每一者的VCO電路1200A部分的VCO電路1200B，並由此圖示了每個相關部分的等效AC電路。如第12B圖所示，電壓源VG、供電電源VDD及參考電壓Vctrl1及Vctrl2中的每一個都被表示為所施加的電壓及等效AC電路的虛擬接地。
在變壓器T1的情況中，電容元件C5耦合在節點128與虛擬接地之間，繞組W2耦合在節點138與虛擬接地之間，繞組W1耦合在節點134與虛擬接地之間，電容元件C6耦合在節點124與虛擬接地之間，耦合元件CD1 耦合在節點134與138之間。在操作中，耦合到節點128的電晶體M1的閘極及耦合到節點124的電晶體M1的汲極端子因此基於變壓器T1的配置而受控制。
在變壓器T2的情況中，電容元件C4耦合在節點130與虛擬接地之間，繞組W3耦合在節點136與虛擬接地之間，繞組W4耦合在節點140與虛擬接地之間，電容元件C3耦合在節點126與虛擬接地之間，耦合元件CD2耦合在節點136與140之間。在操作中，耦合到節點130的電晶體M2的閘極及耦合到節點126的電晶體M2的汲極端子因此基於變壓器T2的配置而受控制。
第13A圖至第13E圖是根據一些實施例的回饋振盪器的示意圖。第13A圖是回饋振盪器1300的方塊圖，在一些實施例中被稱為單端回饋振盪器1300。第13B圖至第13E圖是各個回饋振盪器1300B-1300E的圖，此些振蕩器是根據各種實施例的回饋振盪器1300的非限制性實例。
如第13A圖所示，回饋振盪器1300包括前級1310及回饋網路1320，每一者耦合到輸出節點OUT。前級1310及回饋網路1320被佈置成交叉耦合配置，回饋網路1320由此用以向前級1310提供正回饋。
兩個或兩個以上電路元件被認為是基於直接電連接或包括一或更多個額外電路元件(例如，一或更多個邏輯或傳輸閘)的電連接而耦合的，並且因此能夠被控制，例如透過電晶體或其他開關裝置使其具有電阻或開路。
在各種實施例中，回饋振盪器1300包括用以具有一或更多個對應電壓的一或更多個節點(第13A圖中未圖示)，例如，用以具有電壓V1的節點N1、用以具有電壓V2的節點N2及用以具有參考電壓VR的參考節點NR，如第13B圖至第13E圖中不同地繪示。
在第13A圖至第13E圖所示的實施例中，參考電壓VR是具有接地電壓值的接地電壓，電壓V2是電源電壓，例如，對應於以上關於第1A圖及第1B圖論述的供電電源VDD的電壓，並且電壓V1是具有接地電壓值與電壓V2的電源電壓值之間的電源電壓值的電源電壓。在各種實施例中，參考電壓VR及電壓V1及V2具有的值不同於對應於第13A圖至第13E圖的值。例如，在一些實施例中，參考電壓VR具有電源電壓值，電壓V2具有接地電壓值，且電壓V1具有電源電壓值與接地電壓值之間的值。
在各種實施例中，前級1310包括放大器，例如運算放大器，及/或電晶體，例如NMOS或PMOS電晶體或BJT。回饋網路1320包括變壓器耦合BPF，例如在第13B-13E圖中的相應一個中描述的，且在下文論述的變壓器耦合BPF1320B-1320E。透過在回饋網路1320中包括變壓器耦合BPF，振盪器1300(例如振盪器1300B-1300E中的一個)用以在輸出端子OUT上產生AC輸出信號VOUT，輸出信號VOUT具有快速滾降特性，即一或更多個傳輸零點，能夠抑制高階諧波，如下文進一步論述。
在第13B圖至第13E圖所示的非限制性實例中，每個對應的回饋振盪器1300B-1300E包括可用作前級1310的相應前級1310B-1310E。根據下文論述的各種實施例，每個前級1310B-1310E包括耦合到輸出端子OUT的端子A1、端子A2及A3及耦合在端子A1-A3之間的電晶體M5。在第13B圖至第13E圖所示的實施例中，電晶體M5是NMOS電晶體。在各種實施例中，前級1310B-1310E中的一或更多個包括電晶體M5，其為除了NMOS電晶體之外的電晶體，例如，PMOS電晶體、NPN BJT或PNP BJT。在各種實施例中，除了電晶體M5之外，前級1310B-1310E中的一或更多個包括一或更多個電晶體(未圖示)，此些電晶體耦合在端子A1-A3中的一或更多者與電晶體M5的汲極/源極或閘極中的一或更多者之間。
包括在相應的回饋振盪器1300B-1300E中的每個變壓器耦合BPF1320B-1320E包括端子F1-F4、分接頭PT或ST中的一個或兩個、如下所述耦合在端子F1-F4及分接頭PT及/或ST之間的變壓器T3、及耦合在端子F1與F2之間的耦合元件CD。在各種實施例中，變壓器耦合BPF1320B-1320E中的一或更多個包括耦合在變壓器T3與端子F1-F4及/或分接頭PT及/或ST中的一或更多者之間的一或更多個電晶體(未圖示)。在第13B圖至第13E圖所繪示的每一實施例中，端子F3及F4中每一者耦合至參考節點NR。
變壓器T3對應於第15A圖至第18B圖中繪示的變壓器1500T-1800T中的一個，並且在下文論述的第19A圖至第21B圖的描述中被共同表示。變壓器T3包括耦合到次級繞組W6的初級繞組W5。繞組W5耦合在端子F1與F3之間，且繞組W6耦合在端子F2與F4之間。在各種實施例中，變壓器T3包括電連接到繞組W5的分接頭PT或電連接到繞組W6的分接頭ST中的一個或兩個。在各種實施例中，分接頭PT是繞組W5的中心分接頭且/或分接頭ST是繞組W6的中心分接頭。
在第13B圖中繪示的回饋振盪器1300B，亦稱為共源回饋振盪器1300B或單端共源回饋振盪器1300B，在一些實施例中包括可用作前級1310的前級1310B、可用作回饋網路1320的變壓器耦合BPF1320B、節點N1、節點N2、參考節點NR及輸出端子OUT，每一個都在上文關於回饋振盪器1300及第13A圖進行了論述。
如第13B圖所示，前級1310B包括電晶體M5，其包括耦合到端子A1的汲極端子、耦合到端子A2的源極端子及耦合到端子A3的閘極。端子A2耦合到參考節點NR，端子A3耦合到變壓器耦合BPF1320B的端子F1。耦合變壓器的BPF1320B亦包括耦合到端子A1及輸出端子OUT的端子F2、耦合在端子F1與F2之間的耦合元件CD，及包括耦合到節點N1的分接頭PT及耦合到節點N2的分接頭ST的變壓器T3，從而具有對應於下文參考第17A圖及第17B圖論述的耦合變壓器的BPF1700的配 置。
透過包括如第13B圖所示的前級1310B及變壓器耦合BPF1320B，回饋振盪器1300B用以在輸出端子OUT上產生輸出信號VOUT，此信號具有上文關於回饋振盪器1300論述的益處。
第13C圖中繪示的回饋振盪器1300C，亦稱為共閘回饋振盪器1300C或單端共閘回饋振盪器1300C，在一些實施例中包括可用作前級1310的前級1310C、可用作回饋網路1320的變壓器耦合BPF1320C、節點N1、節點N2、參考節點NR及輸出端子OUT，以上針對回饋振盪器1300及第13A圖分別進行了論述。
如第13C圖所示，前級1310C包括電晶體M5，其包括耦合到端子A1的源極端子、耦合到端子A2的閘極及耦合到端子A3的汲極端子。端子A2耦合到節點N1，且端子A3耦合到變壓器耦合BPF1320C的端子F1。耦合變壓器的BPF1320C亦包括耦合到端子A1及輸出端子OUT的端子F2、耦合在端子F1與F2之間的耦合元件CD，及包括耦合到節點N2的分接頭PT的變壓器T3，從而具有對應於下文參考第15A圖及第15B圖論述的耦合變壓器的BPF1500的配置。
透過包括如第13C圖所示的前級1310C及變壓器耦合BPF1320C，回饋振盪器1300C用以在輸出端子OUT上產生輸出信號VOUT，此信號具有上文關於回饋振盪器1300論述的益處。
在第13D圖中繪示的回饋振盪器1300D，亦稱為共閘回饋振盪器1300D或單端共閘回饋振盪器1300D，在一些實施例中包括可用作前級1310的前級1310D、可用作回饋網路1320的變壓器耦合BPF1320D、節點N1、節點N2、參考節點NR及輸出端子OUT，每一個都在上文關於回饋振盪器1300及第13A圖進行了論述。
如第13D圖所示，前級1310D包括電晶體M5，其包括耦合到端子A1的汲極端子、耦合到端子A2的閘極及耦合到端子A3的源極端子。端子A2耦合到節點N1，端子A3耦合到變壓器耦合BPF1320D的端子F1。耦合變壓器的BPF1320D亦包括耦合到端子A1及輸出端子OUT的端子F2、耦合在端子F1與F2之間的耦合元件CD，及包括耦合到節點N2的分接頭ST的變壓器T3，從而具有對應於下文參考第16A圖及第16B圖論述的耦合變壓器的BPF1600的配置。
透過包括如第13D圖所示的前級1310D及變壓器耦合BPF1320D，回饋振盪器1300D用以在輸出端子OUT上產生輸出信號VOUT，此信號具有上文關於回饋振盪器1300論述的益處。
第13E圖中繪示的回饋振盪器1300E，亦稱為共汲回饋振盪器1300E或單端共汲回饋振盪器1300E，在一些實施例中包括可用作前級1310的前級1310E、可用作回饋網路1320的變壓器耦合BPF1320E、節點N1、節點N2、參考節點NR及輸出端子OUT，每個都在上文 關於回饋振盪器1300及第13A圖進行了論述。
如第13E圖所示，前級1310E包括電晶體M5，其包括耦合到端子A1的源極端子、耦合到端子A2的汲極端子及耦合到端子A3的閘極。端子A2耦合到節點N2，端子A3耦合到變壓器耦合BPF1320E的端子F2。耦合變壓器的BPF1320E亦包括耦合到端子A1及輸出端子OUT的端子F1、耦合在端子F1與F2之間的耦合元件CD，及包括耦合到節點N1的分接頭ST的變壓器T3，從而具有對應於下文參考第16A圖及第16B圖論述的耦合變壓器的BPF1600的配置。
透過包括如第13E圖所示的前級1310E及變壓器耦合BPF1320E，回饋振盪器1300E用以在輸出端子OUT上產生輸出信號VOUT，此信號具有上文關於回饋振盪器1300論述的益處。
第14A圖及第14B圖是根據一些實施例的差分振盪器的示意圖。第14A圖是回饋振盪器1400的方塊圖，且第14B圖是根據一些實施例的差分振盪器1400B的圖、回饋振盪器1400的非限制性實例。
如第14A圖所示，差分振盪器1400包括變壓器耦合BPF1420及差分電路1430。變壓器耦合BPF1420耦合到節點NR，如上文關於第13A圖至第13E圖所論述的，並且變壓器耦合BPF1420及差分電路1430中的每一個耦合在輸出節點OUTP與OUTN之間。變壓器耦合BPF1420及差分電路1430以並聯配置佈置，差分振盪器 1400由此用以產生差分輸出信號，作為對輸出節點OUTP的互補信號VOUTP及輸出節點OUTN上的互補信號VOUTN。
變壓器耦合BPF1420包括變壓器T3，變壓器T3包括繞組W5及W6、耦合元件CD及端子F1-F4，如以上關於變壓器耦合BPF1320B-1320E及第13B圖至第13E圖所論述的配置。與變壓器耦合BPF1320B-1320E相比，變壓器耦合BPF1420在第14A圖及第14B圖所示的實施例中不包括分接頭PT或ST中的任何一個，因此具有對應於下文關於第18A圖及第18B圖論述的變壓器耦合BPF1800的配置。在各種實施例中，變壓器耦合BPF1420包括耦合到上文關於第13A-13E圖論述的節點N1或N2中的一個或兩個的分接頭PT或ST中的一個或兩個，從而具有對應於下文關於第15A圖至第17B圖論述的變壓器耦合BPF1500-1700中的一者的配置。
差分電路1430是用以響應於由變壓器耦合BPF1420提供的相應輸出節點OUTP及OUTN處的負載來驅動信號VOUTP及VOUTN的電子電路。在各種實施例中，差分電路1430包括一或更多個放大器，例如運算放大器，及/或電晶體，例如NMOS或PMOS電晶體或BJT，及一或更多個節點，其用以承載電源或參考電壓中的一或更多者，例如VDD及/或接地電壓。在各種實施例中，差分電路1430包括一或更多個放大器及/或電晶體的 交叉耦合配置，並由此用以產生信號VOUTP及VOUTN作為互補信號。
透過包括如上所述配置的變壓器耦合BPF1420及差分電路1430，差分振盪器1400能夠產生信號VOUTP及VOUTN作為差分輸出信號，在操作中由變壓器耦合BPF1420控制，使得差分輸出信號具有快速滾降特性，即能夠抑制高階諧波的一或更多個傳輸零點，如上文關於VCO1100A及1100B及回饋振盪器1300-1300E所論述的。
在第14B圖所示的非限制性實例中，差分振盪器1400B包括可用作差分電路1430的差分電路1430B。差分電路1430B包括在輸出節點OUTP及OUTN之間與電晶體M7交叉耦合的電晶體M6。在第14B圖所示的實施例中，電晶體M6及M7中的每一個都是PMOS電晶體，並且包括耦合到節點N1的源極端子。在各種實施例中，差分電路1430B包括電晶體M6及M7，此些電晶體是不同於PMOS電晶體的電晶體，例如NMOS電晶體或NPN或PNP電晶體，並且包括一或更多個端子，此些端子以其他方式耦合到輸出節點OUTP或OUTN或節點N1、N2或NR中的一或更多者。在各種實施例中，除了電晶體M6及M7之外，差分電路1430B亦包括一或更多個電晶體(未圖示)，其耦合在電晶體M6及/或M7的一或更多個端子與輸出節點OUTP或OUTN或節點N1、N2或NR中的一或更多者之間。
透過包括如第14B圖所示的差分電路1430B及變壓器耦合BPF1420，差分振盪器1400B用以在各自的輸出端子OUTP及OUTN上產生信號VOUTP及VOUTN，具有上文關於差分振盪器1400論述的益處。
第15A圖至第18B圖是根據一些實施例的各個變壓器耦合BPF1500-1800的示意圖。第15A圖至第18A圖繪示了電路圖，第15B圖至第18B圖繪示了各個變壓器耦合BPF1500-1800的佈局圖。根據各種實施例，變壓器耦合BPF1500-1800可用作變壓器耦合BPF1320B-1320E或1420，如上關於第13A圖至第14B圖所述。
如第15A圖至第18B圖所示，變壓器耦合BPF1500-1800包括各自的變壓器1500T-1800T及以上參考第13A圖至第14B圖論述的耦合元件CD。變壓器1500T-1800T中的每一個都是上文參考第13A圖至第14B圖論述的並且在下文中進一步論述的變壓器T3的實施例。
第15A圖至第18A圖中的每一個繪示了變壓器1500T-1800T，包括端子F1-F4、耦合在端子F1與F3之間的繞組W5、耦合在端子F2與F4之間的繞組W6、及耦合在端子F1與F2之間的耦合元件CD。如第15A圖所示，變壓器1500T亦包括電連接到繞組W5的分接頭PT。如第16A圖所示，變壓器1600T亦包括電連接到繞組W6的分接頭ST。如第17A圖所示，變壓器1700T 亦包括電連接到繞組W5的分接頭PT及電連接到繞組W6的分接頭ST。
第15B圖至第18B圖中繪示的每個佈局圖包括端子F1-F4及(如有)分接頭PT及/或ST。端子F1-F4及分接頭PT及ST對應於上文關於第4圖至第7圖論述的耦合變壓器400及變壓器耦合BPF500-700的相應端子428、426、420、422、424及434。
繞組W5(在第15B圖至第18B圖中未標記)對應於端子F1/428與F3/420之間的導電路徑，其被繪示為導電結構414、412及406，並在上文關於第4圖進行了論述。繞組W6(在第15B圖至第18B圖中未標記)對應於端子F2/426與F4/422之間的導電路徑，其被繪示為包括延伸部分438的導電結構418，並在上文關於第4圖進行了論述。
如第15B圖及第17B圖所示，各個變壓器1500T及1700T的分接頭PT/424在沿著端子F1/428與F3/420之間的導電路徑的中間位置電連接到繞組W5，並且對應於第4圖的導電結構412，並且因此用作繞組W5的中心分接頭。在各種實施例中，分接頭PT在除了端子F1/428與F3/420之間的導電路徑的中間位置之外的位置電連接到繞組W5，並且因此用作除了繞組W5的中心分接頭之外的分接頭。
如第16B圖及第17B圖所示，各個變壓器1600T及1700T的分接頭ST/434在沿著端子F2/426與 F4/422之間的導電路徑的中間位置電連接到繞組W6，並且對應於第4圖的導電結構418，並且因此用作繞組W6的中心分接頭。在各種實施例中，分接頭ST在除了端子F2/426與F4/422之間的導電路徑的中間位置之外的位置電連接到繞組W6，並且因此用作除了繞組W6的中心分接頭之外的分接頭。
藉由上述配置，在振盪器(例如，回饋振盪器1300-1300E或差分振盪器1400或1400B之一)中使用的變壓器耦合BPF1500-1800中的每一個都能夠實現以上關於回饋振盪器1300-1300E及差分振盪器1400及1400B論述的益處。
第19A圖至第21B圖是根據一些實施例的各個變壓器耦合BPF1900-2100的示意圖。第19A圖至第21A圖繪示了電路圖，第19B圖至第21B圖繪示了各個變壓器耦合BPF1900-2100的佈局圖。根據各種實施例，變壓器耦合BPF1900-2100可用作變壓器耦合BPF1320B-1320E或1420，如上關於第13A圖至第14B圖所述。
如第19A圖至第21B圖所示，變壓器耦合BPF1900-2100包括變壓器T3及相應的耦合元件1900CD-2100CD。變壓器T3在第19A圖至第21B圖中被表示為可選地包括在第15A圖至第18B圖中描述的實施例的各種元件作為各自的變壓器1500T-1800T，並且每個變壓器耦合BPF1900-2100能夠透過包括變壓器 1500T-1800T中的任何一個來實現。
在各種實施例中，變壓器耦合BPF1900-2100中的一或更多個包括除了變壓器T3之外的變壓器，例如上文關於第1A圖至第12B圖論述的變壓器T1或T2，及相應的耦合元件1900CD-2100CD。在各種實施例中，耦合元件1900CD-2100CD可用作上文關於第11A圖至第12B圖論述的耦合元件CD1及CD2及上文關於第13A圖至第18B圖論述的耦合元件CD。
在第19A圖及第19B圖所示的實施例中，變壓器耦合BPF1900的耦合元件1900CD包括與電感裝置L3並聯配置的電容元件Cc。在第20A圖及第20B圖所示的實施例中，變壓器耦合BPF2000的耦合元件2000CD包括與電感元件L3串聯配置的電容元件Cc。在第21A圖及第21B圖所示的實施例中，變壓器耦合BPF2100的耦合元件2100包括與電感元件L3及電容元件Cc4的串聯組合並聯配置的電容元件Cc3。
電容元件，例如電容元件Cc、Cc3或Cc4，是用以在兩個或兩個以上端子之間提供目標電容值的積體電路結構。在各種實施例中，電容元件包括平板電容器(例如，MIM電容器)、電容器配置的MOS元件、可變電容器、可調電容器(例如，MOSXAP)或適於提供目標電容值的另一積體電路元件。
電感元件，例如電感元件L3，是用以在兩個或更多端子之間提供目標電感值的積體電路結構。在各種實施 例中，電感元件包括單層或多層結構，此結構包括一或更多個導電段，例如金屬段，此導電段具有適於提供目標電感值的幾何形狀。在第19B圖至第21B圖所示的實施例中，電感元件L3包括具有八邊形形狀的導電段，並由此用以提供目標電感值。在各種實施例中，電感元件包括具有另一種形狀的導電段，例如正方形、螺旋形或其他合適的形狀，及/或包括傳輸線，並且因此用以提供目標電感值。
藉由包括包含至少一個耦合元件的變壓器耦合BPF，例如第15A圖至第21B圖中繪示的變壓器耦合BPF1500-2100，振盪器(例如回饋振盪器1300-1300E或差分振盪器1400或1400B)能夠包括用以增強二次及三次諧波抑制的傳輸零點，從而與其他方法相比，改善了所產生信號的信噪比。在耦合元件包括可變電容器的實施例中，振盪器進一步能夠包括傳輸零點作為可調轉換零點。在包括電感元件及/或第二耦合電容器的實施例中，振盪器進一步能夠包括一或更多個額外的傳輸零點，從而與其他方法相比，進一步提高了產生信號的信噪比。
第22圖是根據一些實施例的產生振盪信號的方法2200的流程圖。方法2200可與振盪器一起使用，例如上文關於第11A圖、第11B圖及第13A圖至第14B圖所論述的VCO1100A或1100B、回饋振盪器1300-1300E或差分振盪器1400或1400B，及/或與變壓器耦合BPF一起使用，例如上文關於第15A圖至第21B圖所論述的變壓器耦合BPF1500-2100。
第22圖中描述的方法2200的操作的順序僅用於說明；方法2200的操作能夠以不同於第22圖所示的循序執行。在一些實施例中，除了第22圖中繪示的操作之外的操作在第22圖中繪示的操作之前、之間、期間及/或之後執行。在一些實施例中，方法2200的一些或全部操作是操作包括振盪器的電路的一部分，例如包括VCO的PLL。
在操作2210，在一些實施例中，振盪器的變壓器耦合BPF接收DC電壓。接收DC電壓包括接收電源電壓、偏置電壓、參考電壓(例如接地電壓)或控制或啟用信號的邏輯狀態中的一或更多者。在各種實施例中，透過變壓器耦合BPF接收DC電壓包括從振盪器或除振盪器之外的電路接收電壓。
在一些實施例中，透過變壓器耦合BPF接收電壓包括接收以上關於第11A圖及第11B圖論述的電壓源VG或供電電源VDD中的一或更多個，或者以上關於第13A圖至第14B圖論述的電壓V1或V2或參考電壓VR。
在一些實施例中，透過振盪器的變壓器耦合BPF接收電壓包括透過以上關於第15A圖至第21B圖論述的變壓器耦合BPF1500-2100中的一或更多者接收電壓。
在一些實施例中，透過振盪器的變壓器耦合BPF接收電壓包括透過以上關於第11A圖及第11B圖論述的VCO1100A或1100B的變壓器耦合BPF1106或1112、以上關於第13圖至第13E圖論述的回饋振盪器1300-1300E的變壓器耦合BPF1320-1320、或者以上 關於第14A圖及第14B圖論述的差分振盪器1400或1400B的變壓器耦合BPF1420中的一或更多者來接收電壓。
在一些實施例中，透過振盪器的變壓器耦合BPF接收電壓包括透過振盪器的一或更多個部件及變壓器耦合BPF接收一或更多個附加電壓。在一些實施例中，透過振盪器的變壓器耦合BPF接收電壓包括透過以上關於第11A圖及第11B圖論述的VCO1100A或1100B的諧振器1102接收電壓電源VBUF或控制電壓Vctrl1或Vctrl2中的一或更多個。在一些實施例中，透過振盪器的變壓器耦合BPF接收電壓包括透過上文關於第13A圖至第14B圖論述的前級1310-1310E或差分電路1430或1430B中的一或更多者接收電壓V1或V2或參考電壓VR中的一或更多個。
在操作2220，響應於所施加的DC電壓，振盪器產生振盪信號。產生振盪信號包括使用振盪器的變壓器耦合BPF產生振盪信號。在各種實施例中，產生振盪信號包括使用上文關於第15A圖至第21B圖論述的變壓器耦合BPF1500-2100中的一或更多個來產生振盪信號。
在各種實施例中，產生振盪信號包括產生互補信號對或獨立信號。在各種實施例中，產生振盪信號包括振盪器在振盪器的一對輸出端或振盪器的單個輸出端產生振盪信號。
在一些實施例中，產生振盪信號包括使用變壓器耦 合BPF1106或1112來控制VCO1100A或1100B的電晶體M1及M2的汲極端子，如以上關於第11A圖至第12B圖所論述的。在一些實施例中，產生振盪信號包括在輸出端子OUT產生信號VOUT，如上文關於第13A圖至第13E圖所論述的。在一些實施例中，產生振盪信號包括在輸出端子OUTN產生信號VOUTP及在輸出端子OUTP產生信號VOUTN，如上文關於第14A圖及第14B圖所論述的。
透過執行方法2200的一些或全部操作，振盪器產生與其他方法相比具有增強的二次及三次諧波抑制的振盪信號，從而獲得以上關於VCO1100A及1100B、回饋振盪器1300-1300E、差分振盪器1400及1400B及變壓器耦合BPF1500-2100所論述的益處。
在一些實施例中，電壓控制振盪器(VCO)包括與第二電晶體交叉耦合的第一電晶體，及包括第一變壓器及第二變壓器的變壓器耦合帶通濾波器(變壓器耦合BPF)。第一變壓器用以控制第一電晶體的閘極及汲極端子，而第二變壓器用以控制第二電晶體的閘極及汲極端子。
在一些實施例中，第一變壓器包括耦合在供電電源與第一電晶體的汲極端子之間的第一繞組，及耦合在電壓源與第一電晶體的閘極之間的第二繞組，且第二變壓器包括耦合在供電電源與第二電晶體的汲極端子之間的第三繞組，及耦合在電壓源與第二電晶體的閘極之間的第四繞組。
在一些實施例中，電壓控制振盪器進一步包括第一耦合元件，耦合在第一電晶體的汲極端子與第一電晶體的閘極或第二電晶體的閘極之一者之間；及第二耦合元件，耦合在第二電晶體的汲極端子與第一電晶體的閘極或第二電晶體的閘中的另一者之間。
在一些實施例中，第一耦合元件及第二耦合元件中的每一個都包括電容元件。
在一些實施例中，第一耦合元件及第二耦合元件中的每一個亦包括與電容元件串聯或並聯的電感元件。
在一些實施例中，電壓控制振盪器進一步包括旁路電容器，旁路電容器耦合到供電電源，且並聯到與第一電晶體串聯的第一繞組及與第二電晶體串聯的第三繞組中的每一個。
在一些實施例中，振盪器包括用以具有第一偏置電壓的第一節點、用以具有第二偏置電壓的第二節點、用以具有參考電壓的參考節點、輸出端子、前級(包括耦合到輸出端子的第一端子及耦合到第一節點、第二節點或參考節點之一的第二端子)，及耦合在輸出端子與前級的第三端子之間的變壓器耦合BPF。
在一些實施例中，變壓器耦合帶通濾波器包括耦合在輸出端子與前級的第三端子之間的電容元件。
在一些實施例中，變壓器耦合帶通濾波器進一步包括電感元件，電感元件在輸出端子與前級的第三端子之間與電容元件串聯或並聯耦合。
在一些實施例中，變壓器耦合帶通濾波器包括耦合在前級的第三端子與參考節點之間的第一繞組，及耦合在輸出端子與參考節點之間的第二繞組。
在一些實施例中，第二偏置電壓具有相對於參考電壓值的值，值大於第一偏置電壓相對於參考電壓值的值。
在一些實施例中，前級包括電晶體，電晶體包括對應於第一端子的汲極端子、對應於耦合到參考節點的第二端子的源極端子及對應於第三端子的閘極，並且變壓器耦合帶通濾波器包括耦合到第一節點的第一中心分接頭及耦合到第二節點的第二中心分接頭。
在一些實施例中，前級包括電晶體，電晶體包括對應於第一端子的源極端子、對應於耦合到第一節點的第二端子的閘極、及對應於第三端子的汲極端子，並且變壓器耦合帶通濾波器包括耦合到第二節點的中心分接頭。
在一些實施例中，前級包括電晶體，電晶體包括對應於第一端子的汲極端子、對應於耦合到第一節點的第二端子的閘極、及對應於第三端子的源極端子，並且變壓器耦合帶通濾波器包括耦合到第二節點的中心分接頭。
在一些實施例中，前級包括電晶體，電晶體包括對應於第一端子的源極端子、對應於耦合到第二節點的第二端子的汲極端子、及對應於第三端子的閘極，並且變壓器耦合帶通濾波器包括耦合到第一節點的中心分接頭。
在一些實施例中，差分振盪器包括耦合在第一輸出節點與第二輸出節點之間的差分電路及耦合在第一輸出節 點與第二輸出節點之間的變壓器耦合的差分電路BPF。變壓器耦合BPF包括耦合在第一輸出節點與第二輸出節點之間的耦合元件，及包括變壓器，此變壓器包括耦合在第一輸出節點與電壓節點之間的第一繞組及耦合在第二輸出節點與電壓節點之間的第二繞組。
在一些實施例中，電壓節點用以具有接地電壓。
在一些實施例中，差分電路包括一對交叉耦合的電晶體。
在一些實施例中，耦合元件包括電容元件，耦合在第一輸出節點與第二輸出節點之間。
在一些實施例中，耦合元件進一步包括電感元件，電感元件在第一輸出節點與第二輸出節點之間與電容元件串聯或並聯耦合。
上文概述了若干實施例的特徵，使得本領域的技藝人士可更好地理解本揭示內容的各態樣。本領域的技藝人士應當理解，他們可容易地將本揭示內容用作設計或修改用於執行本文介紹的實施例的相同目的及/或實現相同優點的其他製程及結構的基礎。本領域的技藝人士亦應當意識到，此類等效的構造不脫離本揭示案的一實施例的精神及範疇，並且在不脫離本揭示案的一實施例的精神及範疇的情況下，本領域的技藝人士可在此進行各種改變、替換及變更。
1100A:電壓控制振盪器
1102:諧振器
1106:變壓器耦合BPF
104,108:偏置-T電路
C1,C2,C3,C4,C5,C6,Cb:電容元件
T1,T2:變壓器
W1,W4:初級繞組
W2,W3:次級繞組
M1,M2,M3,M4:電晶體
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
114,116,118,120,122,124,126,128,130,132,134,136,138,140:節點
L1,L2:電感器
CR1,CR2:核心
CD1,CD2:耦合元件
144,146:極性點

Claims (10)

  1. 一種電壓控制振盪器，包括：一第一電晶體，與一第二電晶體交叉耦合；一變壓器耦合帶通濾波器，包括一第一變壓器及一第二變壓器，其中該第一變壓器用以控制該第一電晶體的一閘極及一汲極端子，且該第二變壓器用以控制該第二電晶體的一閘極及一汲極端子；及一第一電容元件與一第二電容元件，該第一電容元件的一第一端耦合該第一電晶體的該閘極，以及該第二電容元件的一第一端耦合該第二電晶體的該閘極，其中該第一電容元件的一第二端與該第二電容單元的一第二端在一參考電壓端點彼此耦接。
  2. 如請求項1所述的電壓控制振盪器，其中該第一變壓器包括耦合在一供電電源與該第一電晶體的該汲極端子之間的一第一繞組，以及耦合在一電壓源與該第一電晶體的該閘極之間的一第二繞組，而且該第二變壓器包括耦合在該供電電源與該第二電晶體的該汲極端子之間的一第三繞組，及耦合在該電壓源與該第二電晶體的該閘極之間的一第四繞組。
  3. 如請求項2所述的電壓控制振盪器，更包含： 一第一耦合元件，耦合在該第一電晶體的該汲極端子與該第一電晶體的該閘極或該第二電晶體的該閘極之一者之間；以及一第二耦合元件，耦合在該第二電晶體的該汲極端子與該第一電晶體的該閘極或該第二電晶體的該閘極中的另一者之間。
  4. 一種振盪器，包括：一第一節點，用以具有一第一偏置電壓；一第二節點，用以具有一第二偏置電壓；一參考節點，用以具有一參考電壓；一輸出端子；一前級，包括耦合到該輸出端子的一第一端子及耦合到該第一節點、該第二節點或該參考節點之一者的一第二端子，其中該前級括一電晶體，該電晶體包括一汲極端子、一源極端子及一閘極，其中該汲極端子或該源極端子對應於該第一端子，該閘極或該汲極端子對應於該第二端子，以及該汲極端子、該源極或該閘極端子對應於該前級的一第三端子；以及一變壓器耦合帶通濾波器，耦合在該輸出端子與該前級的該第三端子之間，該變壓器耦合帶通濾波器包括一中心分接頭，該中心分接頭耦接至該第一節點或該第二節點。
  5. 如請求項4所述的振盪器，其中該變壓器耦 合帶通濾波器包括耦合在該輸出端子與該前級的該第三端子之間的一電容元件。
  6. 如請求項4所述的振盪器，其中該第二偏置電壓相對於該參考電壓值之一值的一值大於該第一偏置電壓相對於該參考電壓值知該值的一值。
  7. 如請求項4所述的振盪器，其中該源極端子對應於該第一端子、該閘極對應於耦合到該第一節點的該第二端子，以及該汲極端子對應於該第三端子，並且該中心分接頭耦合到第二節點。
  8. 一種產生一振盪信號的方法，包含：在一變壓器耦合帶通濾波器之一第一繞組的一第一端子與一第二繞組的一第一端子的每一者處接收一參考電壓，其中該變壓器耦合帶通濾波器與一回饋振盪器之一前級交叉耦合；在該第一繞組的一分接頭接收一第一直流電壓；以及回應於該第一直流電壓，使用該前級與該變壓器耦合帶通濾波器以在該回饋振盪器的一輸出端子產生該振盪信號。
  9. 如請求項8所述的產生該振盪信號的方法，其中使用該前級與該變壓器耦合帶通濾波器產生該振盪信 號包含：使用一電容裝置以在該第一繞組的一第二端子與該第二繞組的一第二端子之間提供一電感。
  10. 如請求項8所述的產生該振盪信號的方法，更包含：在該第二繞組的一分接頭接收一第二直流電壓。
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