專利名稱：基于相位調(diào)諧技術(shù)調(diào)諧lc振蕩器頻率的方法和電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
概括地來說，本發(fā)明涉及一種LC振蕩器，具體地來說是涉及一種運(yùn)用了調(diào)相調(diào)頻技術(shù)的，具有多相位輸出的LC振蕩器。
背景技術(shù)：
在有線傳輸和無線傳輸?shù)耐ㄓ嵪到y(tǒng)中，能產(chǎn)生低噪聲時(shí)鐘或者本地振蕩(LO)信號(hào)的LC振蕩器是一類十分關(guān)鍵的部件。而且現(xiàn)代的通訊系統(tǒng)往往需要多種相位的時(shí)鐘或者是LO信號(hào)。比如說，零中頻(zero-IF)的接收機(jī)需要同相位和正交相位(I&Q)的信號(hào)來調(diào)制和解調(diào)，I&Q信號(hào)也是，例如像weaver和hartley類型的鏡像抑制接收機(jī)，工作的先決條件。此外，其他的應(yīng)用，例如，相控陣?yán)走_(dá)和半采樣速率的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)，同樣需要多相位的時(shí)鐘或者LO信號(hào)。為了在不同頻率的信道上接收或者發(fā)射信號(hào)，或是為了應(yīng)對(duì)工藝、電壓和溫度的變化，在實(shí)際應(yīng)用中，需要LC振蕩器的頻率是可調(diào)的。通常來說，電容調(diào)諧的方法包括變?nèi)荻O管調(diào)諧和開關(guān)電容陣列，是最廣泛地被應(yīng)用來調(diào)節(jié)LC振蕩器的振蕩頻率的。但是， 這種電容調(diào)諧的方法卻存在著很多缺陷。比如說，用來調(diào)諧頻率的電容會(huì)嚴(yán)重地加載諧振腔的負(fù)荷，導(dǎo)致更低的工作頻率和更高的功耗；調(diào)諧電容也會(huì)造成調(diào)幅噪聲向調(diào)相噪聲 (AM-to-PM)轉(zhuǎn)換，從而降低相位噪聲的性能和損害振蕩器的穩(wěn)定性；此外，電容調(diào)諧的方法需要在深亞微米的CMOS技術(shù)中不能獲得的足夠大范圍的調(diào)諧電壓。在另一方面，強(qiáng)大的CMOS縮微技術(shù)使設(shè)計(jì)和集成在毫米波(MMW)頻段下的壓控振蕩器(VCOs)成為可能。相比射頻(RF)的壓控振蕩器，因?yàn)楦土拥恼{(diào)諧電容的品質(zhì)因數(shù) ⑴)，和由GHz/V量級(jí)的大的壓控振蕩器增益造成的嚴(yán)重AM-to-PM噪聲轉(zhuǎn)換，毫米波壓控振蕩器的頻譜純度嚴(yán)重地下降。此外，調(diào)諧電容的有效調(diào)諧比例和品質(zhì)因數(shù)之間更為苛刻的折衷關(guān)系，以及在深亞微米CMOS技術(shù)中降低了的供電電壓，使得電容調(diào)諧的方法對(duì)毫米波壓控振蕩器變得更加地?zé)o效。在此，已知為品質(zhì)因數(shù)的Q因數(shù)是一個(gè)描述電振蕩器或諧振器欠阻尼程度或者相當(dāng)于表征諧振器相對(duì)于其中心頻率的帶寬的無維參數(shù)。Q因數(shù)越高表示振蕩器的能量損失相對(duì)于所存儲(chǔ)的能量而言速度越慢。換句話說，振蕩衰減越慢。另一方面，Q因數(shù)越高的振蕩器阻尼越低，因此振蕩時(shí)間越長(zhǎng)。在電諧振系統(tǒng)中，Q因數(shù)由電路的電阻、電感和電容確定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種無需使用電容調(diào)諧來調(diào)諧具有多相位輸出的基于LC的環(huán)形振蕩器的振蕩頻率的方法以及相關(guān)的設(shè)備。概括地來說，這個(gè)方法提供了一種通過調(diào)諧相位來調(diào)諧基于LC的環(huán)形振蕩器工作頻率的技術(shù)，其無需在環(huán)形振蕩器任何一級(jí)的LC諧振腔中使用可調(diào)諧的容性器件。具體地來說，這種相位調(diào)諧的LC環(huán)形振蕩器包含了多級(jí)電路，每一級(jí)電路均含有一個(gè)差分電
4路。該振蕩器的多級(jí)電路之間互相連接而形成了一個(gè)環(huán)狀的結(jié)構(gòu)，其中每一級(jí)電路中都有一個(gè)主要的LC諧振腔，其可以在各自的每一級(jí)電路中，提供一定量的固定相移。每一級(jí)電路都被裝備了一個(gè)具有可調(diào)諧的或者等效于可調(diào)諧的相移的相位調(diào)諧(Phase tuning,PT) 單元，通過調(diào)諧這些單元的相移，在每一級(jí)電路中的主LC諧振腔的相移會(huì)被相應(yīng)地改變， 以使得整個(gè)環(huán)形振蕩器的相位條件得到滿足。因此，整個(gè)環(huán)形振蕩器的工作頻率可以被充分地調(diào)諧和控制。通過適當(dāng)?shù)貨Q定每一個(gè)相位調(diào)諧單元所提供的相移，可以使LC環(huán)形振蕩器在以每一級(jí)電路中得主LC諧振腔的峰值頻率為中心的一定的頻率范圍內(nèi)工作。LC環(huán)形振蕩器的振蕩頻率可以低于，高于或者基本上等于主LC諧振腔的峰值頻率。此應(yīng)用于LC環(huán)形振蕩器的相位調(diào)諧的方法可以有效地克服傳統(tǒng)電容調(diào)諧方法的很多缺點(diǎn)，其中包括了諧振腔品質(zhì)因數(shù)的下降，AM-to-PM噪聲轉(zhuǎn)換，以及深亞微米CMOS電路中越來越小的供電電壓對(duì)調(diào)頻范圍的限制。此外，LC環(huán)形振蕩器的多級(jí)電路可以使用具有最佳的品質(zhì)因數(shù)的LC諧振腔，對(duì)噪聲進(jìn)行多次地濾波。因此，本發(fā)明的調(diào)相調(diào)頻的LC環(huán)形振蕩器可以產(chǎn)生高頻率、寬調(diào)頻范圍和低相位噪聲的，具有多相位的輸出信號(hào)。作為更進(jìn)一步的一個(gè)實(shí)施范例，一個(gè)調(diào)相調(diào)頻的LC環(huán)形振蕩器在一個(gè)0. 13微米CMOS工藝被成功地實(shí)現(xiàn)，其可以產(chǎn)生在50GHz的、在IOMHz偏移頻率上有-127. 8dBc/ Hz相位噪聲的、6. 8%頻率調(diào)諧范圍的、-186. 4dB品質(zhì)因數(shù)(R)M)的、8相位的輸出信號(hào)。 在另一例實(shí)施范例中，一個(gè)同樣用0. 13微米CMOS工藝實(shí)現(xiàn)的調(diào)相調(diào)頻LC環(huán)形振蕩器，可以產(chǎn)生在60GHz的、在IOMHz偏移頻率上有-118. 5dBc/Hz相位噪聲的、9%頻率調(diào)諧范圍的、-180. 5dB品質(zhì)因數(shù)(FoM)的、4相位的輸出信號(hào)。和傳統(tǒng)的毫米波VCO集成電路相比， 以上描述的調(diào)相調(diào)頻LC環(huán)形振蕩器可以提供更優(yōu)越的相位噪聲性能和更好的R)M。在本發(fā)明的另一個(gè)可供選擇的實(shí)施例中，提供了一種調(diào)諧多相位輸出的LC振蕩器頻率的方法，其中該振蕩器包括串連成環(huán)狀結(jié)構(gòu)的多級(jí)電路，并且每一級(jí)電路從前一級(jí)電路的輸出信號(hào)中產(chǎn)生這一級(jí)電路的輸出信號(hào)。這個(gè)方法包括給一級(jí)電路的輸入信號(hào)的至少一部分中施加一個(gè)相移；從這一級(jí)電路的輸入信號(hào)中被相移的部分和未被相移的部分產(chǎn)生第一輸出信號(hào)和第二輸出信號(hào)，然后合并第一輸出信號(hào)和第二輸出信號(hào)來形成這一級(jí)電路的輸出信號(hào)；并且通過改變第一輸出信號(hào)和第二輸出信號(hào)中的至少一個(gè)來調(diào)節(jié)這一級(jí)電路的輸出信號(hào)的相位。依照另外一個(gè)可供選擇的實(shí)施方案，提供一種用于調(diào)諧多相位輸出LC振蕩器頻率的方法，其中該多相位輸出LC振蕩器包括串連成環(huán)狀結(jié)構(gòu)的多級(jí)電路，并且每一級(jí)電路從前一級(jí)電路的輸出信號(hào)中產(chǎn)生這一級(jí)電路的輸出信號(hào)。這個(gè)方法包含，給一級(jí)電路的輸入信號(hào)的至少一部分中施加至少一個(gè)相移；合并多個(gè)輸出信號(hào)來形成這一級(jí)電路的輸出信號(hào)；然后通過改變所述多個(gè)輸出信號(hào)中的至少一個(gè)來調(diào)節(jié)這一級(jí)電路的輸出信號(hào)的相位。依照本發(fā)明的另外一個(gè)可供選擇的實(shí)施方案，提供了一種可調(diào)諧的多相位輸出環(huán)形振蕩器。該振蕩器包括串連成環(huán)狀結(jié)構(gòu)的多級(jí)電路。每一級(jí)電路利用前一級(jí)電路的輸出信號(hào)產(chǎn)生這一級(jí)電路的輸出信號(hào)，并且包括多個(gè)跨導(dǎo)單元、至少一個(gè)相移模塊、一個(gè)振蕩器單位、和用于調(diào)節(jié)這一級(jí)電路的輸出信號(hào)的相位的裝置。所述的每一個(gè)跨導(dǎo)單元利用這一級(jí)電路的輸入信號(hào)的至少一部分來產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)。所述至少一個(gè)相移模塊給這一級(jí)電路的輸入信號(hào)的至少一部分中施加至少一個(gè)相移。所述振蕩器單元從多個(gè)跨導(dǎo)單元的輸出信號(hào)的結(jié)合中產(chǎn)生這一級(jí)電路的輸出信號(hào)。所述的用于調(diào)節(jié)這一級(jí)電路的輸出信號(hào)的相位的裝置包括用于改變所述多個(gè)跨導(dǎo)單元輸出信號(hào)中的至少一個(gè)的裝置。


圖IA描繪了一個(gè)依照本發(fā)明的示例性實(shí)施例的8相位輸出LC振蕩器的電路圖；圖IB展示了圖IA中所描述的LC振蕩器中的LC諧振腔的頻率響應(yīng)；圖2A、2B、2C和2D描述了本發(fā)明所運(yùn)用的具有可調(diào)相移的跨導(dǎo)電路的各種實(shí)現(xiàn)方法；圖3A描述了利用相位內(nèi)插來產(chǎn)生可變相移的跨導(dǎo)電路的另一種實(shí)現(xiàn)方法；圖;3B闡釋了圖3A中所描述的注入到LC諧振腔中的電流的矢量圖；圖4A和4B分別描述了本發(fā)明所運(yùn)用的具有固定相移的增益級(jí)的實(shí)現(xiàn)方法；圖5A描繪了另一個(gè)依照本發(fā)明的示例性實(shí)施例的4相位輸出LC振蕩器電路圖；圖5B描述了一個(gè)依照?qǐng)D5A的實(shí)現(xiàn)方法的具有可調(diào)相移的跨導(dǎo)電路圖；圖5C闡釋了注入到圖5B中所描述的LC諧振腔中的電流的矢量圖；圖6分別展示了具備50GHz、8相位輸出的和60GHz、4相位輸出的兩個(gè)調(diào)相調(diào)頻LC 振蕩器原型的芯片圖像；圖7描述了一個(gè)依照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的多相位LC振蕩器的電路圖；圖8描述了一個(gè)依照本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例的多相位LC振蕩器電路圖；圖9描述了依照本發(fā)明的各種實(shí)施例的調(diào)節(jié)多相位輸出環(huán)形振蕩器頻率的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式概括地說，這里所描述的發(fā)明提供了一種調(diào)節(jié)多相位輸出環(huán)形振蕩器頻率的方法，該多相位輸出環(huán)形振蕩器包含了串連成環(huán)狀結(jié)構(gòu)的多級(jí)電路。依照本發(fā)明的各種不同的實(shí)施例，在各級(jí)電路的輸入信號(hào)中引入一個(gè)相移，通過調(diào)諧輸入信號(hào)的相移來來調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的相位，因而調(diào)諧環(huán)形振蕩器的工作頻率。依照?qǐng)D9中所描述的一些可選擇的實(shí)施方案，提供一種方法10來調(diào)諧多相位環(huán)形振蕩器的工作頻率。依照這種實(shí)施方案，當(dāng)環(huán)形振蕩器的各級(jí)接收到一個(gè)輸入信號(hào)(11) 時(shí)，至少有一個(gè)相移被施加給這個(gè)輸入信號(hào)的至少一部分(1 。從輸入信號(hào)中被相移的那部分產(chǎn)生了多個(gè)輸出信號(hào)(1 。然后多個(gè)輸出信號(hào)被結(jié)合在一起構(gòu)成這一級(jí)電路的輸出 (14)，其被用來當(dāng)做下一級(jí)電路的輸入。通過改變多個(gè)輸出信號(hào)中的至少一個(gè)，來調(diào)節(jié)這級(jí)輸出信號(hào)的相位，因而環(huán)形振蕩器的工作頻率可以被相應(yīng)地調(diào)諧(15)。在更進(jìn)一步的實(shí)施方案中，通過一些可變的電路器件(其中包含一個(gè)或多個(gè)可調(diào)電容和一個(gè)或多個(gè)可調(diào)電阻)，特定的相移可以在輸入信號(hào)輸入到各級(jí)電路之前引入到輸入信號(hào)中去。通過調(diào)節(jié)這些可變的電路器件來調(diào)節(jié)每一級(jí)的相移，因而振蕩器的工作頻率可以被相應(yīng)地調(diào)諧。在另外一種實(shí)施方案中，在多相位振蕩器的各級(jí)電路中，一個(gè)固定的相移可以被引入到輸入信號(hào)中來產(chǎn)生第一輸出信號(hào)。另外，一部分沒有經(jīng)過相移的輸入信號(hào)可以用來產(chǎn)生第二輸出信號(hào)。這第一和第二輸出信號(hào)可以被合并來產(chǎn)生這一級(jí)電路的輸出信號(hào)，其中這個(gè)輸出信號(hào)是第一和第二輸出信號(hào)的矢量合成。這一級(jí)電路輸出信號(hào)的相移，因而也是振蕩器的工作頻率，可以通過調(diào)節(jié)第一和第二輸出信號(hào)中的至少一個(gè)信號(hào)的幅度和相位，來被相應(yīng)地調(diào)諧。在再一種實(shí)施方案中，在每一級(jí)電路里，第一固定的相移可以被引入到輸入信號(hào)的第一部分中來產(chǎn)生第一輸出信號(hào)，并且第二固定的相移可以被引入到輸入信號(hào)的第二部分中來產(chǎn)生第二輸出信號(hào)。第一輸出信號(hào)和第二輸出信號(hào)可以被合并來產(chǎn)生這一級(jí)電路的輸出信號(hào)，其中這個(gè)輸出信號(hào)是第一輸出信號(hào)和第二輸出信號(hào)的矢量合成。這一級(jí)電路輸出信號(hào)的相移因而也是振蕩器的工作頻率，可以通過調(diào)節(jié)第一和第二輸出信號(hào)幅度中的至少一個(gè)，來被相應(yīng)地調(diào)諧。在又一種實(shí)施方案中，在每一級(jí)電路里，輸入的信號(hào)可以被分成多個(gè)部分，各個(gè)不同的相移可以被分別引入到輸入信號(hào)的各個(gè)部分中。多個(gè)均由被相移了的輸入信號(hào)的各個(gè)部分產(chǎn)生的輸出信號(hào)，可以被合成來產(chǎn)生這一級(jí)電路的輸出信號(hào)，其中這個(gè)輸出信號(hào)是多個(gè)輸出信號(hào)的矢量合成。這一級(jí)電路輸出信號(hào)的相移因而也是振蕩器的工作頻率，可以通過調(diào)節(jié)多個(gè)輸出信號(hào)幅度中的至少一個(gè)，來被相應(yīng)地調(diào)諧?，F(xiàn)在回到圖1A，其描述了含有多級(jí)電路620的一個(gè)多相位輸出LC振蕩器600的電路圖。每一級(jí)電路620包括一個(gè)LC諧振腔110和一個(gè)相位調(diào)諧單元610，后者擁有一對(duì)差分輸入端和一對(duì)差分輸出端。整個(gè)振蕩器的多級(jí)電路被串聯(lián)起來形成一個(gè)環(huán)狀的結(jié)構(gòu)，其中最后一級(jí)的輸出端被連接到第一級(jí)的輸入端。每一個(gè)LC諧振腔110包含了兩個(gè)分別連接于一個(gè)共用電壓源Vdd和相位調(diào)諧單元610的兩個(gè)差分輸出端之間的基本LC振蕩器。每一個(gè)基本的LC振蕩器包含了并聯(lián)的電感 101/102 和電容 103/104。在工作時(shí)，環(huán)形振蕩器600產(chǎn)生一個(gè)環(huán)繞回路連續(xù)傳播的開關(guān)瞬態(tài)，因而產(chǎn)生振蕩。為了得到穩(wěn)定的振蕩，有兩個(gè)條件必須要滿足。第一，整個(gè)回路總共的電壓增益至少要為1，這樣在延回路傳播時(shí)振蕩信號(hào)才能不衰減或者漸漸消失。第二，整個(gè)回路總共的相位移動(dòng)需要為零、或則概括地說為2 π *M，這里M可以為任意的整數(shù)，這樣在延回路傳播一圈后振蕩信號(hào)才能和自身同步，從而讓自身保持穩(wěn)定。當(dāng)所有級(jí)的電路620都基本上相同時(shí)，為了滿足增益條件和相位條件，每一級(jí)電路620需要提供至少為1的增益和(π+2 π *M)/N的相移，這里N代表了振蕩器的級(jí)數(shù)，而這個(gè)額外的η是因?yàn)槿鐖DIA所示的最后一級(jí)和第一級(jí)電路之間的交叉連接。在各級(jí)電路620中，輸入的電壓信號(hào)首先由跨導(dǎo)單元610轉(zhuǎn)換成一個(gè)電流信號(hào)，然后在輸出端由LC諧振腔110轉(zhuǎn)換回電壓信號(hào)。當(dāng)相移單元601提供的相移分量為零時(shí)，依照相位條件，每級(jí)電路620的輸出信號(hào)的總相移都由LC諧振腔來提供。因此，振蕩器會(huì)工作在能使得LC諧振腔的相移為(π+2 π *Μ)/N的某個(gè)頻率。因?yàn)檫@里的M有多種選擇，所以有可能存在不止一個(gè)能滿足相位條件的頻率。最后的結(jié)果是，整個(gè)振蕩器會(huì)被調(diào)整然后工作在LC諧振腔110的阻抗為最大時(shí)的那個(gè)頻率，從而來優(yōu)化振蕩器的增益條件。依照?qǐng)DIA所示的4級(jí)振蕩器的實(shí)施方案，在每一級(jí)電路620中，因?yàn)樵诳鐚?dǎo)510之前施加了一個(gè)額外的相移φ 601，每一級(jí)電路的相位條件就相對(duì)應(yīng)地變?yōu)?φ+θ = π/4+(π/2廣Μ。通過改變?chǔ)盏闹?，由LC諧振腔110提供的相移θ的值就會(huì)被相應(yīng)地改變，因而改變振蕩頻率。該4級(jí)振蕩器的信號(hào)相位。如圖IB所示，當(dāng)φ= -π/4時(shí)，LC諧振腔Iio不需要提供任何的相移，來使振蕩器600工作在LC諧振腔的峰值頻率。另一方面， 如果φ被減小到-η/2，振蕩器的工作頻率也會(huì)被相應(yīng)地減小到ω。3。2，這也是單調(diào)的頻率調(diào)諧范圍的邊界條件。圖2A-D描述了具有圖IA中所示的可調(diào)相移的跨導(dǎo)單元610的各種具體實(shí)施方案。具體地講，圖2Α和2Β詳細(xì)地展示了通過在跨導(dǎo)510之前配置可調(diào)電容701和702，和 /或可調(diào)電阻703和704，來調(diào)諧相位延遲的實(shí)施方案。因?yàn)橛蔁o源器件造成的損耗會(huì)影響整個(gè)振蕩器的增益條件，額外的有源器件(例如晶體管705和706)可以和可變電容和電阻配合起來使用，形成一增益級(jí)電路710，如圖 2C所示。注意，在這個(gè)實(shí)施方案中，可調(diào)電阻703和704會(huì)對(duì)振蕩器貢獻(xiàn)噪聲，而且由RC濾波器提供的相移是負(fù)的。在如圖2D所示的實(shí)施方案，圖2C中的可調(diào)電阻可用可調(diào)電感707和708來替代， 來使振蕩器600工作在主LC諧振腔110的峰值頻率的周圍。另外，降低品質(zhì)因數(shù)的電阻 721和722可以并聯(lián)加入到諧振腔700d中。圖3A提供了跨導(dǎo)單元610的另一種實(shí)施方案。在這個(gè)方案中，一個(gè)由固定相移模塊830所提供的固定的相移β，被用來引入一個(gè)由跨導(dǎo)晶體管804和805產(chǎn)生的經(jīng)過延遲的電流i”如圖3B所示，通過將經(jīng)過延遲的電流I1與由跨導(dǎo)晶體管801和802所產(chǎn)生的沒有經(jīng)過延遲的電流、的合并，總電流it的延遲可以通過調(diào)諧直流電流Itl和I1來控制， 其中Itl和I1被用來分別給晶體管對(duì)804和805，以及801和802施加偏壓。如圖所示， 電流、、I1和it都是輸出電流的矢量表達(dá)，每一個(gè)電流可以通過幅度和相位來決定。在圖 :3B中，這些電流都用他們的矢量表達(dá)來描述，其中，這些電流之間相對(duì)的相移可以通過相對(duì)應(yīng)的矢量之間夾角來決定。如圖3B所示，通過LC諧振腔的總電流it是所述被相移了的電流輸出I1和未被相移的電流輸出io的矢量合成。輸出電流it的相位可以通過調(diào)節(jié)電流、 和/或I1的幅度來調(diào)諧。因此，這可以通過改變電流源803和/或806的大小來完成。舉例來說，對(duì)于一個(gè)4級(jí)的調(diào)相調(diào)頻振蕩器，為了得到最大單調(diào)的頻率調(diào)諧范圍，LC諧振腔的相移θ應(yīng)該在-π /4和π /4之間任意可調(diào)，因此相移φ需要在O和-π /2之間任意可調(diào)。 結(jié)果，在800中固定的相移β需要被大約設(shè)置為-π/2。因?yàn)榭鐚?dǎo)單元800不需要任何可調(diào)的無源器件，這種方案可以降低AM-to-PM的噪聲轉(zhuǎn)變，提供更好的相位噪聲性能，并且頻率調(diào)諧的范圍不受供電電壓的限制。固定相移模塊830有著和圖2C和2D中的相位調(diào)諧模塊710和720相類似的結(jié)構(gòu)。圖4A展示了固定相移模塊830的一種實(shí)施方案，其中，輸入電壓被施加到跨導(dǎo)晶體管 905和906上，然后被轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，后者通過流入由固定電阻901和902以及固定電容 903和904組成的差分RC濾波器。依照這種實(shí)施方案，在單元800中這個(gè)施加到輸入信號(hào)中的初始的固定相移β實(shí)際上是一個(gè)相位延遲，其由RC濾波器的器件參數(shù)決定。圖4Β展示了固定相移模塊830的另一種實(shí)施方案，其中，900a中的RC濾波器被替換成含有固定電感911和912、固定電容903和904、以及降低品質(zhì)因數(shù)的電阻913和914的一個(gè)LC諧振腔。這個(gè)LC諧振腔要使得調(diào)相調(diào)頻振蕩器總是工作在主LC諧振腔的峰值頻率附近。依照這種實(shí)施方案，這個(gè)由電路900b提供的固定相移β可以是正或是負(fù)，其由電感 911/912和電容903/904的LC乘積是小于或者是大于圖IA中所示的101/102和103/104 的LC乘積來決定。在實(shí)施方案900a和900b中，尾部電流源907和917都是可調(diào)諧的，這樣可以使得800中經(jīng)過延遲的電流I1的幅度更加可控，從而有助于此調(diào)相調(diào)頻振蕩器的相位內(nèi)插。圖5A描述了具備同步和正交相位(I&Q)的多相位輸出振蕩器(PT Q-VC0)的另一種實(shí)施方案。差分的調(diào)相單元IOlOa或IOlOb將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)具有可控相移的電流信號(hào)，然后后者被注入到LC諧振腔110中去。包括調(diào)相單元和LC諧振腔的各級(jí)電路被連接成一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)，其中包含了一個(gè)交叉連接1012。依照此兩級(jí)振蕩器的實(shí)施方案， 每一級(jí)電路須提供一個(gè)的相移。為了讓振蕩器能對(duì)稱地工作在LC諧振腔110 的峰值頻率的左右，并且有一個(gè)90度調(diào)諧范圍，LC諧振腔的相移θ需要在-π/4和π/4 之間任意可調(diào)，因此由調(diào)相單元IOlOa和IOlOb提供的相移φ需要在-π /4和-3 π /4之間任意可調(diào)。在圖5Β中描述了調(diào)相單元IOlOa和IOlOb的實(shí)施方案。依照這個(gè)方案，通過引入兩個(gè)固定的相移，比如β ！ = - JI /4 ^P β2 =-JI/2，總電流it的相移可以通過相位內(nèi)插的方法從-η /4調(diào)諧到-3 π /4。圖5C更進(jìn)一步地描述了此相位內(nèi)插的運(yùn)算，其中，由晶體管 1001和1002提供的電流、，與晶體管1003和1004提供的電流I1合并在一起，來產(chǎn)生一個(gè)總電流it，其相移由βρ β2以及電流io和I1的幅度來決定。在此實(shí)施方案中，固定相移β工和β 2的值取決于調(diào)相調(diào)頻振蕩器的級(jí)數(shù)，其中β2 決定振蕩器的相位調(diào)諧范圍，β ！提供初始的相移量，以使得相位調(diào)諧的范圍能均勻地分布在LC諧振腔110的峰值頻率兩旁。舉例來說，在此調(diào)相調(diào)頻正交壓控振蕩器Ο -vco)中，β2 被設(shè)置為接近-η /2，其可以通過一個(gè)二階的LC諧振腔來實(shí)現(xiàn)，β ！被設(shè)置為-η /4，因而電流it的相移可以從-η /4調(diào)節(jié)到-π 3/4，一個(gè)90度的調(diào)諧范圍可以對(duì)稱地分布在-π /2 周圍。所以此調(diào)相調(diào)頻Q-VCO可以在具有最佳LC諧振腔品質(zhì)因數(shù)的區(qū)域中工作。固定相移β i和β 2的電路實(shí)現(xiàn)可以基本上和圖4Α和4Β中所描述的實(shí)現(xiàn)方式類似。圖6展示了用0. 13微米CMOS技術(shù)制成的圖IA所示的4級(jí)振蕩器(half-Q-VCO) 和圖5A所示的2級(jí)振蕩器Ο -VCO)的芯片影像，其中電路800和900b被集成到了振蕩器電路中。在圖6中，HQ-VCO和Q-VCO分別占用了 0. 36mm2和0. 20mm2面積的芯片。當(dāng)差分控制的偏置電流從-0. 9mA調(diào)節(jié)到0. 9mA時(shí)，HQ-VCO可以連續(xù)地從48. 6GHz調(diào)諧到52GHz， 同時(shí)從0. 8V的電源電壓中總計(jì)消耗32mW到48mW的功率。Q-VCO可以連續(xù)地從56GHz調(diào)諧到61. 3GHz，同時(shí)從0. 8V的電源電壓中總計(jì)消耗了 30mW到37mW的功率。在3MHz偏移頻率時(shí)，HQ-VCO 和 Q-VCO 的相位噪聲分別從-110. 2dBc/Hz 變化到-116. 3dBc/Hz，從-104. 8dBc/ Hz變化到-110. ldBc/Hz。對(duì)于如圖6所示的兩個(gè)VCO電路，最低的相位噪聲都是在VCO工作在中心頻率時(shí)測(cè)量到的，此時(shí)諧振腔的品質(zhì)因數(shù)是最大的。用測(cè)量到的在IOMHz偏移頻率的-127. 8dBc/Hz和-118. 5dBc/Hz的相位噪聲來計(jì)算，所述的調(diào)相調(diào)頻的4級(jí)振蕩器和2 級(jí)振蕩器分別在50GHz和60GHz的頻率上取得了 -186. 4dB和-180. 5dB的品質(zhì)因數(shù)(R)M)。圖7展示了依照另外一個(gè)實(shí)施方案的調(diào)相調(diào)頻LC振蕩器1200。振蕩器1200包含了連接成環(huán)形的從1210a到1210η的多級(jí)電路，其中每一級(jí)電路都有一對(duì)差分輸入端和一對(duì)差分輸出端。在環(huán)形中一級(jí)的輸出端連接到下一級(jí)的輸入端。從最后一級(jí)1210η的輸出端到第一級(jí)1210a的輸入端的連接被交叉，然而，其他的連接都是直的。從1210a到1210η 的每一級(jí)都有一個(gè)相位調(diào)諧單元(1201a到1201η)，其在輸入和輸出信號(hào)之間施加一個(gè)可控的相移。每一級(jí)電路進(jìn)一步地包含了一個(gè)可以響應(yīng)于經(jīng)過相移的輸入信號(hào)來產(chǎn)生相應(yīng)的輸出信號(hào)的跨導(dǎo)單元(120 到1202η)，以及一個(gè)將所注入的電流轉(zhuǎn)換成輸出電壓信號(hào)的 LC諧振腔(1203a到1203η)。概括地說，在每個(gè)LC諧振腔的輸出節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生了兩個(gè)輸出信號(hào)，輸出信號(hào)的相位以每級(jí)360*1/2Ν度地從0度遞增到360 (2Ν-1)/2Ν度，其中N代表了振蕩器的級(jí)數(shù)。因?yàn)槊恳患?jí)所提供的相移是固定的，并且在實(shí)際應(yīng)用中基本上等于180/Ν度， 因此，通過調(diào)相單元來改變施加的相移，可以改變每一個(gè)LC諧振腔的相移，因而相應(yīng)地改變整個(gè)環(huán)形振蕩器的工作頻率。圖8提供了應(yīng)用調(diào)相調(diào)頻技術(shù)的LC振蕩器的另一種實(shí)施方案。和振蕩器1200 類似，振蕩器1300還包含了環(huán)狀連接的多級(jí)電路，其中最后一級(jí)與第一級(jí)之間的連接被交叉。依照此實(shí)施方案，每一級(jí)電路(例如，1310a)有多個(gè)相移單元(例如，1301al至 1301aN)，每個(gè)單元在輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間提供了一個(gè)固定的相移。每一級(jí)還包含了多個(gè)具有可調(diào)諧跨導(dǎo)的跨導(dǎo)單元(例如，1302al至1302aN)，以及一個(gè)LC諧振腔，該LC諧振腔將來自跨導(dǎo)單元的輸出電流合并然后生成這級(jí)電路的輸出電壓。在每級(jí)電路中，具有不同的累積相移的輸入電壓被加載到不同的跨導(dǎo)單元上。通過控制每個(gè)跨導(dǎo)單元(例如， 1302al 1302aN)的跨導(dǎo)，然后合并所有注入到LC諧振腔的電流，可以控制輸出總電流的相位，因而可以調(diào)諧振蕩器的工作頻率。在此所有被引用的參考文獻(xiàn)(包括出版物、專利申請(qǐng)以及專利)以引文方式并入此文，如同每一個(gè)參考文獻(xiàn)都以引文方式被單獨(dú)和專門地指出并入并且在此被完整地陳述一樣。在本發(fā)明的描述中(特別是在以下的權(quán)利要求的敘述中)，除非在文中被明確地指出或明顯與上下文的意思相違背，所有詞匯“一”、“一個(gè)”、“此”、“這個(gè)”以及類似的字眼都指的是同時(shí)包含了單個(gè)和多個(gè)。除非被特別地說明，文中所有的詞匯“由構(gòu)成”、“包含”、 “包括”、“有” “擁有”和“具有”應(yīng)當(dāng)解釋為開放式術(shù)語(也就是說其代表的是“包括，但不限于”的意思)。除非被明確地指出，文中數(shù)值范圍的描述僅僅是為了作為一種簡(jiǎn)便的方法，來單獨(dú)提出范圍之內(nèi)的各個(gè)數(shù)值，并且每一個(gè)單獨(dú)的數(shù)值都可以并入說明書中，如同在此單獨(dú)陳述一樣。除非被明確地指出或明顯與上下文的意思相違背，文中所描述的所有方法或方案都可以按照其他任何恰當(dāng)?shù)捻樞騺砻枋?。除非被明確地要求，在此任意和所有的舉例，或者是舉例所運(yùn)用的詞匯(像“比如說”)，僅僅是為了更好地闡明本發(fā)明，而不是為了對(duì)這項(xiàng)發(fā)明的范圍進(jìn)行任何的限制。在此文的具體說明中，沒有任何的詞匯可以理解成對(duì)實(shí)現(xiàn)發(fā)明必不可少的任何未要求的元素。在此，描述了本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案，其中包括發(fā)明者所知道的實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳方案。在閱讀了以上描述之后，對(duì)于所述領(lǐng)域的技術(shù)人員，這些優(yōu)選實(shí)施例的各種變型將變得顯然。發(fā)明者希望所述領(lǐng)域的技術(shù)人員可以適當(dāng)?shù)厥褂眠@些變型，并且發(fā)明者想要本發(fā)明在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)而不局限于文中的描述。相應(yīng)地，正如適用的法律所允許的那樣，本發(fā)明包括在以下附加的權(quán)利要求中陳述的主題的所有變型和實(shí)質(zhì)等效的內(nèi)容。此外，除非被明確地指出或明顯與上下文的意思相違背，在所有可能的變化之中的，以上所描述的基本要素的各種組合都在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于調(diào)諧多相位輸出LC振蕩器的頻率的方法，其中，該多相位輸出LC振蕩器包含了串連成環(huán)狀結(jié)構(gòu)的多級(jí)電路，并且每一級(jí)電路從前一級(jí)電路的輸出信號(hào)中產(chǎn)生這一級(jí)電路的輸出信號(hào)，這種方法包括給這一級(jí)電路的輸入信號(hào)的至少一部分施加一個(gè)相移；利用這一級(jí)電路的輸入信號(hào)中的被相移了的部分和未被相移的部分分別產(chǎn)生第一輸出信號(hào)和第二輸出信號(hào)；把第一輸出信號(hào)和第二輸出信號(hào)結(jié)合起來形成這一級(jí)的輸出信號(hào)；并且通過改變第一輸出信號(hào)和第二輸出信號(hào)中的至少一個(gè)來調(diào)節(jié)這一級(jí)電路的輸出信號(hào)的相位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其中，相移是通過一個(gè)相位延遲電路來施加的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2中所述的方法，其中，所述相位延遲電路至少包含了串聯(lián)連接的一個(gè)電阻器和一個(gè)電容器，并且所述電阻器和所述電容器中的至少一個(gè)是可調(diào)諧的，以便給這一級(jí)電路的輸入信號(hào)中施加所述相移。
4.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其中，通過改變第一輸出信號(hào)和第二輸出信號(hào)的幅度和相位中的至少一個(gè)，來調(diào)諧這一級(jí)電路的輸出信號(hào)的相位。
5.一種用于調(diào)諧多相位輸出LC振蕩器的頻率的方法，其中，該多相位輸出LC振蕩器包含了串連成環(huán)狀結(jié)構(gòu)的多級(jí)電路，并且每一級(jí)電路從前一級(jí)電路的輸出信號(hào)中產(chǎn)生這一級(jí)電路的輸出信號(hào)，這種方法包括給這一級(jí)電路的輸入信號(hào)的至少一部分中施加至少一個(gè)相移；把多個(gè)輸出信號(hào)結(jié)合起來形成這一級(jí)電路的輸出信號(hào)；并且通過改變所述多個(gè)輸出信號(hào)中的至少一個(gè)來調(diào)節(jié)這一級(jí)電路的輸出信號(hào)的相位。
6.根據(jù)權(quán)利要求5中所述的方法，其中這一級(jí)電路的輸出是所述多個(gè)輸出信號(hào)的矢量合成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6中所述的方法，其進(jìn)一步包括通過改變至少施加給這一級(jí)電路的輸入信號(hào)中的相移，來調(diào)諧這一級(jí)電路的輸出信號(hào)的相移。
8.根據(jù)權(quán)利要求6中所述的方法，其進(jìn)一步包括通過改變所述多個(gè)輸出信號(hào)的幅度中的至少一個(gè)，來調(diào)諧這一級(jí)電路的輸出信號(hào)的相移。
9.根據(jù)權(quán)利要求8中所述的方法，其中所述多個(gè)輸出中的每一個(gè)都通過各自的由一個(gè)可變電流源進(jìn)行偏置的一對(duì)差分晶體管來產(chǎn)生，該方法進(jìn)一步包括通過調(diào)整各自的可變電流源的大小來調(diào)諧多個(gè)輸出信號(hào)幅度中的至少一個(gè)。
10.一種可調(diào)諧的多相位輸出環(huán)形振蕩器，其包括串連成環(huán)狀結(jié)構(gòu)的多級(jí)電路，每一級(jí)電路從前一級(jí)電路的輸出信號(hào)中產(chǎn)生這一級(jí)電路的輸出信號(hào)，其中該可調(diào)諧的多相位輸出環(huán)形振蕩器的每一級(jí)包括多個(gè)跨導(dǎo)單元，每一個(gè)跨導(dǎo)單元都從這一級(jí)電路的輸入信號(hào)的至少一部分產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)；至少一個(gè)相移模塊，其用來給這一級(jí)電路的輸入信號(hào)的至少一部分中施加至少一個(gè)相移；一個(gè)振蕩器單元，其用來從多個(gè)輸出信號(hào)的結(jié)合中產(chǎn)生這一級(jí)電路的輸出信號(hào)；以及用來改變所述多個(gè)輸出信號(hào)中的至少一個(gè)以調(diào)諧這一級(jí)電路的輸出信號(hào)的相位的裝置。
11.根據(jù)權(quán)利要求10中所述的振蕩器，其中，這一級(jí)電路的輸出信號(hào)是所述多個(gè)輸出信號(hào)的矢量合成
12.根據(jù)權(quán)利要求11中所述的振蕩器，其中，用來改變所述多個(gè)輸出信號(hào)中的至少一個(gè)以調(diào)諧這一級(jí)電路的輸出信號(hào)的相位的裝置包括用于改變所述至少一個(gè)相移模塊所施加的至少一個(gè)相移的裝置。
13.根據(jù)權(quán)利要求12中所述的振蕩器，其中用于改變至少一個(gè)相移的裝置包括可調(diào)電阻器、可調(diào)電容器和可調(diào)電感器中的至少一個(gè)。
14.根據(jù)權(quán)利要求11中所述的振蕩器，其中，用于改變所述多個(gè)輸出信號(hào)中的至少一個(gè)以調(diào)諧這一級(jí)電路的輸出信號(hào)的相位的裝置包括用于改變所述多個(gè)輸出信號(hào)幅度中的至少一個(gè)的裝置。
15.根據(jù)權(quán)利要求14中所述的振蕩器，其中，每一個(gè)跨導(dǎo)單元包括由一個(gè)電流源進(jìn)行偏置的一對(duì)差分晶體管，并且所述電流源中的至少一個(gè)是可變的。
16.根據(jù)權(quán)利要求15中所述的振蕩器，其中，用于改變所述多個(gè)輸出信號(hào)幅度中的至少一個(gè)的裝置包括這至少一個(gè)可變電流源。
17.根據(jù)權(quán)利要求10中所述的振蕩器，其中，所述振蕩器單元包括并聯(lián)連接的至少一個(gè)電感器和至少一個(gè)電容器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于相位調(diào)諧技術(shù)調(diào)諧LC振蕩器頻率的方法和電路，其中一種可調(diào)諧的多相位輸出環(huán)形振蕩器包含了串連成環(huán)狀結(jié)構(gòu)的多級(jí)電路，其中每一級(jí)電路從前一級(jí)電路的輸出信號(hào)中產(chǎn)生這一級(jí)電路的輸出信號(hào)。該可調(diào)諧的多相位輸出環(huán)形振蕩器的每一級(jí)電路包含了多個(gè)跨導(dǎo)單元，每個(gè)單元從這級(jí)電路的輸入信號(hào)的至少一部分中產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)。每級(jí)電路還包含了至少一個(gè)相移模塊用來給這級(jí)電路的輸入信號(hào)的至少一部分施加至少一個(gè)相移；一個(gè)振蕩器單元，其通過多個(gè)輸出信號(hào)的總和來產(chǎn)生這一級(jí)電路的輸出信號(hào)；以及用來改變所述多個(gè)輸出信號(hào)中的至少一個(gè)以調(diào)諧這級(jí)電路輸出信號(hào)相位的裝置。
文檔編號(hào)H03L7/085GK102281061SQ201010200870
公開日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2010年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月8日
發(fā)明者梁錦和, 榮蘇江 申請(qǐng)人:香港科技大學(xué)