專利名稱：壓控振蕩器的電路配置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及壓控振蕩器(VCO)的電路。更具體地說，本發(fā)明涉及如權利要求I的前序部分限定的、包括變抗器的壓控振蕩器的電路。
背景技術：
在現(xiàn)代數(shù)字無線通信系統(tǒng)中，由于用于鎖相環(huán)路(PLL)，壓控振蕩器(VCO)表示合成載頻的基本部分。在這種應用中，由于合成信號的頻率高以及功耗造成的限制，所以特別難以設計振蕩器。具有LC諧振器的傳統(tǒng)拓撲是滿足光譜純度的規(guī)格和現(xiàn)有通信標準導致的功耗的最常用解決方案。然而，存在如下幾種不同的原因推動尋求創(chuàng)新的拓撲CMOS技術的使用，越來越小的溝道長度需要使用越來越低的供電電壓；無線傳感器網(wǎng)絡的低數(shù)據(jù)速率類型的應用程序施加的低功耗限制；需要設計用于寬帶無線系統(tǒng)的調(diào)諧范圍廣的振蕩器電路。圖I示出了根據(jù)第一現(xiàn)有技術的寬帶振蕩器的電路I。電路I以本身已知的方式包括電橋結構(bridge structure),包括兩個N型交叉耦合的MOS晶體管M3和M4以及兩個P型交叉耦合的MOS晶體管M5和M6。電路I也包括LC諧振器2，并聯(lián)放置在所述兩對N型晶體管M3和M4和P型晶體管M5和M6之間。晶體管M3、M4、M5和M6全體為電路I的有源部分，其任務在于補償LC諧振器2的損耗。本身已知的電流鏡用3表示，所述電流鏡包括一對晶體管札和仏，供電電壓Vdd施加到該對晶體管。電流鏡3產(chǎn)生用于偏置電路I的電流Ib。通過相關的電壓電源給兩個P型晶體管M5和M6施加相同的供電電壓VDD。或者，電流鏡3的供電電壓與兩個P型晶體管M5和M6的供電電壓不同。LC諧振器2包括電感器Ld以及控制電壓Vtune提供的兩個變抗器Cv。通過調(diào)制控制電壓VtUM，電路I使用兩個變抗器Cv以連續(xù)的方式控制振蕩頻率，該頻率與LC諧振器2的諧振頻率相等。為了增大振蕩頻率的變化范圍，從而獲得寬帶振蕩器，電路I包括第一組4a電容器Cswi、· . .、CS麗和分別與第一組4a電容器Cswi、· . .、CS麗相同的第二組4b電容器Cswi、·..、
CSWN。第一組4a和第二組4b的每個電容器Cswi.....Cswn分別連接到用N型MOS晶體管獲
得的各個開關Mswi、. . .、Mswn, N型MOS晶體管由相關的柵極電壓. . .、Bn控制。第一組4a和第二組4b的電容器Cswi.....Cswn使得能夠獲得振蕩頻率的離散變化。這種解決方案的主要優(yōu)點在于，能夠獲得寬帶振蕩器，無需使用具有高值品質(zhì)因數(shù)Kv的變抗器，其中品質(zhì)因數(shù)Kv定義如下
其中，Λ C為在控制電壓變化Λ Vtune下變抗器(varactor，變?nèi)荻O管)容量的增
量變化。實際上，由于噪聲轉(zhuǎn)換AM-PM的已知現(xiàn)象，高值Kv危及相位噪聲的性能。這樣的方案的主要缺點如下在電容器的第一組4a和第二組4b電容器Csw廣Cswn所識別的不同振蕩頻率子帶內(nèi)，未優(yōu)化相位噪聲；電路I的電流消耗(以及功耗)過大；需要這種過大消耗，以便確保較低的頻帶限制內(nèi)具有可靠的振蕩起始條件，即，具有容量大的變抗器Cv以及相關的低品質(zhì)因數(shù)κν。圖2示出了根據(jù)第二現(xiàn)有技術的寬帶振蕩器的電路1，其中相似的元件采用與圖I中相同的數(shù)字。在該電路I中，使用品質(zhì)因數(shù)&高的變抗器結構Cv。為了消除AM-PM效應產(chǎn)生的相位噪聲退化的問題，每個變抗器Cv再分為并聯(lián)的N部分，每部分通過相關的偏置電壓VB1、. . .、Vbn進行偏置。電阻器Rb和電容器Cd表示變抗器Cv的偏置網(wǎng)絡。電容器Cd用于以直流將變抗器Cv從晶體管M3、M4、M5和M6的漏極節(jié)點去耦。電阻器Rb為用于防止變抗器Cd短路的偏置電阻器。電路I使得能夠?qū)⑵焚|(zhì)因數(shù)Kv線性化并且將其相對于控制電壓Vt·的導數(shù)的最大值最小化，用于變抗器Cv容量的相同的整體變化。然而，這種方案增大了相位噪聲。圖3示出了根據(jù)第三現(xiàn)有技術的寬帶振蕩器的電路1，其中相似的元件采用與圖I和圖2中相同的數(shù)字。在該電路I中，使用兩個變抗器Cv和四個開關電感器(switched inductor)LD1和LD2。因此，通過改變LC諧振器2的電感和電容元件執(zhí)行振蕩頻率的離散變化。在圖3的電路I中，第一組4a和第二組4b電容器包括單個電容器Cswi，其連接到通過柵極電壓B1控制、由N型MOS晶體管制成的各個開關Mswi。就相位噪聲和功耗的優(yōu)化而言，圖3的電路I使得能夠克服前述電路的限制。如上所述，LC諧振器2包括四個電感器，分別為配置在LC諧振器2的第一分支5上的第一電感器Ldi和第二電感器Ld2以及配置在LC諧振器2的第二分支6上的第三電感器Ldi和第四電感器LD2。LC諧振器2的第一分支5和第二分支6通過用N型MOS晶體管獲得的開關Msw彼此連接，然而，N型MOS晶體管危及第一和第三電感器Ldi的質(zhì)量因數(shù)。這就是LC諧振器2的質(zhì)量因數(shù)降低造成在相位噪聲或過多的功耗方面受限的原因。使用電阻低以及W/L比率高的開關Msw，可克服這些限制。然而，這減小了調(diào)諧范圍。圖4示出了根據(jù)第四現(xiàn)有技術的寬帶振蕩器的電路1，其中相似的元件采用與圖
1、2和3中相同的數(shù)字。在電路I中，根據(jù)并聯(lián)設置的開關電感器，使用LC諧振器2。
這種電路I包括兩個差分電感器L1，通過互感系數(shù)M和插入的與電感器L2串聯(lián)的開關Msw互相耦合這兩個差分電感器。由于并聯(lián)設置不會由于開關Msw的電阻而降低等效并聯(lián)電感的質(zhì)量因數(shù)，所以與先前的方案相比，這種方法具有若干個優(yōu)點。這種設置能夠以不同的振蕩頻率優(yōu)化相位噪聲并且獲得可靠的起始條件，避免電路的消耗和功率過大。然而，由于實現(xiàn)開關Msw的MOS晶體管的漏極(源極)的偏置電壓等于Vdd-Vcspmqs (其Φ, Vgspmos為晶體管Msw的柵極-源極電壓)，所以未優(yōu)化開關Msw的連接。結果，在接通條件下的柵極-源極電壓等于VesPM()s，因此，由于W/L比率固定，三極管電阻并非可能達到的最小電阻。使用互補開關，可解決這種問題，但是這會大幅增大其寄生容量。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提出，與現(xiàn)有技術的上述方案相比，具有更好的性能以及更低的功耗的壓控振蕩器的電路。通過特征在權利要求I中限定的壓控振蕩器的電路，實現(xiàn)了上述目的及其他目的。特定實施例是從屬權利要求的主體，其內(nèi)容應視為該說明書的組成和重要部分。


參照附圖、通過下面的具體描述，本發(fā)明的進一步特征和優(yōu)點將變得顯而易見的，這些說明僅僅是示例性的而非限制性的，其中圖I為根據(jù)上述第一現(xiàn)有技術的壓控振蕩器的電路的示意圖；圖2為根據(jù)上述第二現(xiàn)有技術的壓控振蕩器的電路的示意圖；圖3為根據(jù)上述第三現(xiàn)有技術的壓控振蕩器的電路的示意圖；圖4為根據(jù)上述第四現(xiàn)有技術的壓控振蕩器的電路的示意圖；圖5為根據(jù)本發(fā)明的壓控振蕩器的電路的示意圖；圖6a為根據(jù)本發(fā)明的電路的諧振器布置的示例性實施方式的頂視示意圖；以及圖6b為圖6a的諧振器示意圖。
具體實施例方式圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的壓控振蕩器的電路，其中相似的元件采用與上述圖I至圖4中相同的參考數(shù)字。電路I包括電橋結構，電橋結構包括兩個N型交叉耦合的MOS晶體管M3和M4以及兩個P型交叉耦合的MOS晶體管M5和M6。電路I還包括LC諧振器2，并聯(lián)放置在所述兩對N型晶體管M3和M4與P型晶體管仏和仏之間。晶體管％1415和仏全體表示電路I的有源部分，其任務在于補償LC諧振器2的損耗。兩個晶體管M3和M4連接到電流鏡3中，電流鏡3包括一對晶體管M1和M2，供電電壓Vdd施加到該對晶體管中。電流鏡3產(chǎn)生用于偏置電路I的電流Ib。
通過相關的電壓電源給兩個P型晶體管M5和M6施加相同的供電電壓VDD?；蛘?，電流鏡3的供電電壓與兩個P型晶體管M5和M6的供電電壓不同。LC諧振器電路2包括兩對差分電感器L1和L2,這兩對差分電感器通過互感系數(shù)M互相耦合，每對差分電感器包括配置在外部環(huán)路的各個分支IOa上的第一電感器L1和配置在內(nèi)部環(huán)路的各個分支12a上的第二電感器L2。這兩個第一電感器L1具有共同的端子。兩個第二電感器L2通過用N型MOS晶體管獲得的開關Msw彼此連接，該晶體管通過柵極電壓Btl偏置。開關Msw連接或者斷開與第一電感器L1并聯(lián)的第二電感器L2。內(nèi)部環(huán)路的分支12a通過第一和第二變抗器Cv33彼此連接，第一和第二變抗器經(jīng)受施加至公共節(jié)點A的控制電壓Vtune。外部環(huán)路的分支IOa通過各自的去耦電容器Cd連接到內(nèi)部環(huán)路的分支12a，去耦電容器配置成以直流從晶體管M3、M4、M5和M6的漏極節(jié)點去耦兩個第二電感器L2以及變抗
Cygg ο控制電壓Vtune也連接到第三和第四變抗器CV12。內(nèi)部環(huán)路的分支12a通過兩個偏置電阻器Rb連接到接地GND，以便通過接地電壓
偏置開關Msw、第一和第二變抗器CV33。這組去耦電容器Cd以及偏置電阻器Rb使得能夠偏置開關Msw,以便確保低損耗。通過用具有不同的氧化物厚度的MOS累積晶體管獲得所述變抗器Cvi2和Cv33實現(xiàn)LC諧振器2的變抗器Cvi2和Cv33的線性化，所述氧化物厚度在變抗器Cvi2和變抗器Cv33之間變化。因此，關于電路中已經(jīng)可用的那些，線性化變抗器的拓撲不需要替換偏置點。本發(fā)明的電路的操作原理與參考圖I至圖4描述的電路的操作相似，現(xiàn)在進行描述。包括兩個N型交叉耦合的MOS晶體管M3和M4以及兩個P型交叉耦合的MOS晶體管仏和仏的電橋結構實現(xiàn)負電阻。這種負電阻的任務在于補償LC諧振器2的損耗電阻，以便在所述諧振器2上以恒定的寬度保持振蕩。振蕩頻率由下面的表達式?jīng)Q定
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2蓯W、其中，Lrai和分別表示電路LC諧振器2的總體等效電感和總體等效電容。為了以連續(xù)的方式改變振蕩頻率，通過改變施加給變抗器Cvi2和Cv33的共同節(jié)點A的控制電壓Vtune的值，改變(^。控制電壓Vtum具有連續(xù)值，包含在接地電壓和供電電壓之間。為了以離散的方式改變振蕩頻率，使用通過互感系數(shù)M互相耦合的兩對差分電感器L1和L2。通過使用開關Msw激活或停用與第一電感器L1并聯(lián)的第二電感器L2,從而以離散的方式改變LC諧振器2的電感為此，開關Msw經(jīng)受具有兩個離散值的柵極電壓Btl(接地電壓或供電電壓Vdd)。圖6a示出了諧振器2的布置的頂視示意圖，其中，通過硅襯底上制成的導電材料的兩個各自的同心環(huán)路獲得第一電感器L1和第二電感器L2。圖6b示出了諧振器2的示圖，其中，各個端子a-f與圖6a中所示的那些端子相同。已經(jīng)特別設計這種布置，以便將第一電感器L1和第二電感器L2之間的互感最大化，同時減小第一電感器和第二電感器占據(jù)的硅面積。根據(jù)本發(fā)明的壓控振蕩器的電路的優(yōu)點在于由于具有開關電感器的拓撲以及所使用的變抗器結構，在非常高的頻率范圍優(yōu)化相位噪聲；由于低寄生容量，與現(xiàn)有技術相比，增大了調(diào)諧范圍；由于所使用的變抗器結構，改善了相位噪聲和調(diào)諧范圍之間的平衡；由于使用適當?shù)牟贾?，將開關電感器結構的硅面積最小化；由于開關電感器結構，減少了壓控振蕩器的功耗。當然，在不影響本發(fā)明的原理的情況下，實施方式和制作細節(jié)可相對于已經(jīng)描述和闡述的僅作為非限制性實例的內(nèi)容而有很大變化，而不會因此偏離所附權利要求書所限定的本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種壓控振蕩器電路(1)，包括電橋結構，包括兩個N型交叉耦合的晶體管(M3、M4)以及兩個P型交叉耦合的晶體管(M5、M6)；電流鏡(3)，連接至兩個N型交叉耦合的晶體管(M3、M4)并且配置成產(chǎn)生用于電路(I)的偏置電流(Ib);LC諧振器(2)，并聯(lián)地放置在兩個N型交叉耦合的晶體管(M3、M4)和兩個P型交叉耦合的晶體管(M5、M6)之間；所述電路(I)的特征在于LC諧振器(2)包括以互感系數(shù)(M)互相耦合的兩對差分電感器(LpL2),每對差分電感器(LpL2)包括配置在外部環(huán)路的各個分支(IOa)上的第一電感器(L1)以及配置在內(nèi)部環(huán)路的各個分支(12a)上的第二電感器(L2)；第一變抗器(CV33)，連接到公共節(jié)點(A)以及所述內(nèi)部環(huán)路的第一分支(12a)；第二變抗器(CV33)，連接到公共節(jié)點(A)以及所述內(nèi)部環(huán)路的第二分支(12a)。
2.根據(jù)權利要求I所述的電路，其中，兩個第一電感器(L1)具有共同的端子，兩個第二電感器(L2)通過用由柵極電壓(Btl)偏置的N型MOS晶體管獲得的開關(Msw)彼此連接，并且開關(Msw)配置成連接或斷開與第一電感器(L1)并聯(lián)的第二電感器(L2)15
3.根據(jù)權利要求I或2所述的電路，其中，所述外部環(huán)路的分支(IOa)通過各自的去耦電容器(Cd)連接到所述內(nèi)部環(huán)路的分支(12a)，去耦電容器配置成以直流從兩個N型交叉耦合的晶體管(M3、M4)以及從兩個P型交叉耦合的晶體管(M5、M6)去耦兩個第二電感器(L2)以及兩個變抗器(CV33)。
4.根據(jù)權利要求2或3所述的電路，其中，所述內(nèi)部環(huán)路的分支(12a)通過兩個偏置電阻器(Rb)連接到接地(GND)，以便通過接地電壓偏置開關(Msw)、第一和第二變抗器(CV33)。
5.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的電路，其中，第一和第二變抗器(Cv33)經(jīng)受施加給公共節(jié)點(A)的控制電壓(Vtune)。
6.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的電路，其中，第一電感器(L1)和第二電感器(L2)通過硅襯底上的導電材料的兩個各自的同心環(huán)路獲得。
全文摘要
壓控振蕩器的電路(1)包括電橋結構，包括兩個N型交叉耦合的晶體管(M3、M4)以及兩個P型交叉耦合的晶體管(M5、M6)；電流鏡(3)，連接到兩個N型交叉耦合的晶體管(M3、M4)中并且配置為產(chǎn)生用于電路(1)的偏置電流(IB)；LC諧振器(2)，并聯(lián)放置在兩個N型交叉耦合的晶體管(M3、M4)和兩個P型交叉耦合的晶體管(M5、M6)之間。電路(1)的特征在于LC諧振器(2)包括兩對差分電感器(L1、L2)，通過互感系數(shù)(M)互相耦合，每對包括配置在外部環(huán)路的各個分支(10a)上的第一電感器(L1)以及安裝在內(nèi)部環(huán)路的各個分支(12a)上的第二電感器(L2)；第一變抗器(CV33)，連接到公共節(jié)點(A)以及內(nèi)部環(huán)路的第一分支(12a)；第二變抗器(CV33)，連接到公共節(jié)點(A)以及內(nèi)部環(huán)路的第二分支(12a)。
文檔編號H03B5/12GK102959857SQ201080057799
公開日2013年3月6日 申請日期2010年12月7日 優(yōu)先權日2009年12月17日
發(fā)明者亞歷山德羅·伊塔利, 薩爾瓦托雷·迪瑪?shù)偌{, 卡洛杰羅·馬爾科·伊波利托, 朱塞佩·帕爾米薩諾 申請人:意法半導體有限公司