專利名稱：環(huán)形幾何振蕩器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及振蕩器領域，尤其涉及集成高頻壓控振蕩器(voltagecontrolled oscillatorVCO)。
背景技術：
集成VCO是鎖相環(huán)、時鐘恢復電路、頻率合成器以及通信系統(tǒng)所使用的其它電路中的基本構成模塊。雖然已經(jīng)對在有損耗襯底(比如硅或鍺化硅)上制造高頻VCO進行了嘗試，但是用于實現(xiàn)振蕩器振蕩回路的電感器的低質量已經(jīng)限制了此種振蕩器的相位噪聲性能。因為制作在同一襯底上的常規(guī)螺旋導體中的長金屬線將會根據(jù)電感器所消耗的功率而產(chǎn)生損耗，所以振蕩器振蕩回路中的電感器質量低的主要原因是導電性的有損耗襯底。如果金屬線寬，那么金屬與襯底之間電容耦合將會泄漏一部分電路到襯底，吸收在金屬線上傳輸?shù)男盘柟β实暮艽笠徊糠?。另一方面，如果將所述金屬線制作得足夠窄，使得將前面的效應減小到一個小的水平，那么整個金屬電阻將會明顯增加，再次吸收信號功率的很大一部分。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供一種環(huán)形幾何振蕩器，所述環(huán)形幾何振蕩器能夠利用高頻振蕩器克服現(xiàn)有的問題。
特別地，提供一種環(huán)形幾何振蕩器，所述環(huán)形幾何振蕩器使用平板電感器來減小信號損耗以及改善相位噪聲性能。
根據(jù)本發(fā)明的一個典型實施例，提供一種集成的VCO。所述集成的VCO包括具有兩個端部的第一平板電感器和具有兩個端部的第二平板電感器。第一振蕩器芯(core)與第一平板電感器的第一端部及第二平板電感器的第二端部相連，以及第二振蕩器芯與第一平板電感器的第二端部及第二平板電感器的第一端部相連。按照此種方式，所述低損耗平板電感器提供振蕩器振蕩回路的電感。
本發(fā)明提供許多重要的技術優(yōu)勢。本發(fā)明的一個重要的技術優(yōu)勢是一種集成的高頻VCO，所述VCO使用低損耗并且高Q值的平板電感器來提供振蕩器振蕩回路的電感，這減小了信號損耗以及改善了相位噪聲性能。
在閱讀了下面結合附圖所做的詳細描述之后，本領域普通技術人員將進一步意識到本發(fā)明的優(yōu)點、突出的特征以及本法明其它重要的方面。


圖1A和圖1B分別是根據(jù)本發(fā)明之典型實施例的環(huán)形幾何VCO的示意圖和布局圖；圖2是具有典型互補振蕩器電路的典型環(huán)形幾何VCO的示意圖；圖3A和圖3B分別是根據(jù)本發(fā)明之典型實施例的具有振蕩回路電容器的環(huán)形幾何VCO的示意圖和布局圖；圖4A和圖4B分別是根據(jù)本發(fā)明之典型實施例的具有交叉導體的環(huán)形幾何VCO的示意圖和布局圖；
圖5A和圖5B分別是根據(jù)本發(fā)明之典型實施例的具有兩個諧振振蕩回路的環(huán)形幾何VCO的示意圖和布局圖；圖6是示出環(huán)形幾何單頻率振蕩器和VCO的兩個制造模型的性能的圖表；圖7是具有圖6所示的特性的5.33GHz單頻率模型環(huán)形幾何振蕩器的相位噪聲與偏頻之間的關系的示意圖；圖8示出了具有圖6所示的特性的5.36GHz模型環(huán)形幾何VCO的電壓到頻率的轉換函數(shù)；圖9示出了對于具有圖6所示的特性的5.36GHz模型環(huán)形幾何VCO在600kHz偏頻上作為控制電壓函數(shù)的測量的相位噪聲；圖10是根據(jù)本發(fā)明之典型實施例的具有三個諧振振蕩回路的環(huán)形幾何振蕩器1000；圖11是根據(jù)本發(fā)明之典型實施例的耦合的環(huán)形幾何振蕩器1100的示意圖；和圖12是根據(jù)本發(fā)明之典型實施例的耦合的環(huán)形幾何振蕩器1200，其中每個具有雙振蕩器。
具體實施例方式
在下面描述中，在整個說明書和附圖中，相似的部分分別用相同的參考數(shù)字標記。附圖可能不依比例繪出，并且為了清楚和簡潔的目的，某些元件以通用或示意的形式示出且由商業(yè)名稱識別。
圖1A和圖1B分別是根據(jù)本發(fā)明之典型實施例的環(huán)形幾何VCO100的示意圖和布局圖?？梢酝ㄟ^使用平板電感器以及使用多個振蕩器芯來實施VCO 100，以提供明顯較高的質量因子“Q”和改善相位噪聲性能。
VCO 100包括振蕩器102、104、106和108，其中這些振蕩器經(jīng)由平板電感器110、112、114和116相互連接。如同這里所使用的，術語“連接”及其同源術語“連接”和“被連接”可以包括通過導體或導電元件的連接，通過其它相關系統(tǒng)或元件的連接，或其它合適的連接。如圖所示，振蕩器102、104、106和108中的每個分別經(jīng)由相關的接地連接102A、104A、106A和108A接地。同樣地，平板電感器110、112、114和116中的每個分別具有相關電感，它們被模型化為電感器112A和112B、114A和114B、116A和116B以及118A和118B。
振蕩器102、104、106和108可以作為僅NMOS交叉耦合振蕩器、僅PMOS交叉耦合振蕩器、互補交叉耦合振蕩器、噪聲漂移差分考必茲(Colpitts)振蕩器或其它合適的振蕩器來實現(xiàn)。在期望的工作振蕩模式上，振蕩器工作的一半工作在給定的相位處，而其另一半工作在相反的相位處?？梢允褂绵徑南喾聪辔徽袷幤鱽懋a(chǎn)生虛擬AC接地和電源，使得電源和接地連接只承載DC電流，以避免在電源和接地連接處與襯底之間的電容耦合。平板電感器110、112、114和116可以被制造成為短且寬的，從而與常規(guī)螺旋電感器相比，能提供更低的損耗和更高的質量因子Q。平板電感器110、112、114和116可以是矩形，可以被彎曲，可以包括一個或兩個轉角(比如“L”形或“U”形)，或可以具有其它合適的結構。
圖1B示出了具有與振蕩器102、104、106和108耦合的平板電感器110、112、114和116的VCO 100的典型物理實施例。在本典型實施例中，短且寬的平板電感器被用來為每個振蕩器提供振蕩回路電感，從而提供更高的質量因子Q和更低的功率損耗。
在工作中，VCO 100使用短且寬的平板電感器來為四個振蕩器中的每個提供振蕩回路電感，所述四個振蕩器以與其相鄰近的那些振蕩器相反的相位進行工作?？梢允褂煤线m的振蕩器芯來提供振蕩器102、104、106和108，從而提供給定應用的電壓電平、相位噪聲性能要求，或其它設計限制。按照這種方式，因為較高質量的電感器有助于提高振蕩器的相位噪聲性能，所以可以在有損耗襯底上設置高頻壓控振蕩器。同樣地，環(huán)形結構中的振蕩器連接在每個角上形成虛擬AC接地，并且允許將幾個振蕩器的輸出組合起來以降低它們對擾動的靈敏度，并由此提高它們的相位噪聲性能。
圖2是具有典型互補振蕩器電路的典型環(huán)形幾何VCO 200的示意圖。VCO 200包括互補振蕩器202、204、206和208，所示的這些振蕩器中的每個接收電壓源Vdd并且具有接地的穩(wěn)定電流源。驅動與振蕩器202、204、206和208中的每個耦合的平板電感器210、212、214和216，使得提供一個沒有中心連接的穩(wěn)定DC結構。根據(jù)直流觀點，四個振蕩器的結構表現(xiàn)為在一個環(huán)路中連接的四個鎖存器。在期望的振蕩模式上，平板電感器的中心點是一個虛地。這樣，在直流中連接它們會抑制不期望的直流和寄生振蕩模式，而不會對期望的振蕩模式產(chǎn)生影響。
圖3A和圖3B分別是根據(jù)本發(fā)明之典型實施例具有振蕩回路電容器的環(huán)形幾何VCO 300的示意圖和布局圖。圖3A示出了一個典型電路圖，除了圖1所示的電路元件之外，它還包括振蕩回路電容器302、304、306和308。每個振蕩回路電容器分別與相應的振蕩器102、104、106和108并聯(lián)放置，從而提供與振蕩回路電感結合使用的振蕩回路電容器芯?？梢允褂脡嚎仉娙萜鱽韺崿F(xiàn)電容器振蕩回路，由此能夠實現(xiàn)對振蕩器的頻率調(diào)諧能力。在常規(guī)振蕩器電路中，這種諧振電容器可以連接在交叉耦合的晶體管對的漏極或集電極之間。如果使用這種常規(guī)連接，隨著所述交叉耦合的晶體管對的漏極或集電極之間的距離應所述很小以避免寄生電容，由于其幾何特性，很難在漏極或集電極中使用短且寬的線性平板電感器。
另外，線圈310設置有輸出端312，以允許將振蕩器信號提供給輸出端。在由平板電感器110、112、114和116形成的環(huán)路內(nèi)的線圈310的這種結構形成了具有1∶1匝數(shù)比的變換器。所述1∶1變換器的主繞組是每個振蕩器的輸出電路，而次級繞組導體彼此串聯(lián)且是輸出端。這種變換器結構可以用來提供輸出阻抗匹配，用來允許平衡或失衡工作，以為單個輸出提供DC隔離和振蕩器的功率組合，以及提供其它有用功能。另外，使用這種結構的VCO中的組合功率損耗低于使用常規(guī)螺旋變換器的VCO中的功率損耗。
在工作中，VCO 300允許通過使用作為變換器次級繞組工作的拾波環(huán)來提取振蕩器信號，并且還為每對平板電感器端部提供附加的諧振電容器，其與相應振蕩器并聯(lián)放置。
圖4A和圖4B分別是根據(jù)本發(fā)明之典型實施例的具有交叉導體的環(huán)形幾何VCO 400的示意圖和布局圖。除了前面針對VCO 100和300描述的電路元件之外，VCO 400示出了附加的導體402、404、406和408，這些導體被用來抑制不期望的工作模式。
如圖4A所示，每個導體包括相關的電阻，比如對于導體402的電阻402A，對于導體404的電阻404A，對于導體406的電組406A，以及對于導體408的電阻408A。同樣地，存在對于每個導體的相關電感，比如對于導體402的電感402B，對于導體404的電感404B，對于導體406的電感406B，以及對于導體408的電感408B。在期望的振蕩模式上，平板電感器的中心點是虛地。在DC中連接它們抑制了不期望的DC鎖存和寄生的振蕩模式，同時不會對期望的工作模式產(chǎn)生影響。這是通過引入交叉導體402、404、406和408以對稱的方式進行的，這些交叉導體與平板電感器的中心點相連。這短路了振蕩器芯在低頻和甚至諧波處的輸出，這有助于避免DC鎖存。另外，交叉連接利用小的阻抗來載入振蕩器的輸出，這降低了寄生振蕩模式的啟動增益。
圖5A和5B分別是根據(jù)本發(fā)明之典型實施例的具有兩個諧振振蕩回路的環(huán)形幾何VCO 500的示意圖和布局圖。除了前面針對VCO100、300和400描述的電路元件之外，VCO 500還包括在次級繞組的輸出端之間的電容器502，用以提供兩個諧振振蕩回路?？梢允褂秒p分布式諧振振蕩回路來升高振蕩回路的質量因子“Q”。同樣可以在主繞組的內(nèi)部和外部設置附加的環(huán)路，以提供附加的諧振振蕩回路、拾波環(huán)或其它合適元件。雖然添加更多的諧振振蕩回路可以升高VCO 500的質量因子“Q”，但是實際局限性可能將數(shù)目限制到兩個或三個諧振振蕩回路。所述諧振電容器也可以被分解成幾個串聯(lián)的等效電容器，以保持對稱，比如對VCO 500的每個電感為一個。所述電容器也可以或可替換地作為變?nèi)荻O管來實現(xiàn)，以允許頻率調(diào)諧，其中可以通過VCO的控制電壓來實現(xiàn)所述調(diào)諧，可以將調(diào)諧技術組合以提供粗或細調(diào)諧電壓，或使用其它合適的技術。
圖6是示出環(huán)形幾何單頻率振蕩器和VCO的兩個制造模型的性能的圖表。使用利用鍺化硅工藝的0.18μm CMOS晶體管來實現(xiàn)振蕩器。所述單頻率振蕩器具有5.3GHz的振蕩頻率，且VCO的中心頻率為5.36GHz，且可進行8％的連續(xù)頻率調(diào)諧。兩種模型振蕩器的輸出功率為1dBm，以及對于單頻率振蕩器，源極電壓是1.4V，對于VCO，源極電壓是1.8V。單頻率振蕩器和VCO的偏置電流分別是10mA和12mA。并且在10Mhz偏頻上測得的相位噪聲分別是-147.3和-142.2dBc/Hz。由于變?nèi)荻O管在較高頻率上具有較差的質量因子，所以與VCO相比，固定頻率的較低相位噪聲是占優(yōu)勢的。
對于這些模型，由于其較高的振蕩幅度和低的工作電壓，選擇的振蕩器拓撲結構是互補交叉耦合振蕩器。還利用線性編程來對所述振蕩器進行優(yōu)化。
圖7是基于分布式有源變換器并具有圖6所示的特性的5.33GHz單頻率模型環(huán)形幾何振蕩器的相位噪聲與偏頻之間的關系的示意圖。隨著偏移頻率的增加，相位噪聲降低。應所述注意的是圖7中所示的頻譜是單調(diào)降低的。與先前公布的對于在約4GHz的頻率范圍中工作的完全集成振蕩器的相位噪聲結果相比，所述振蕩器的相位噪聲性能得到顯著地改善。
圖8示出了具有圖6所示的特性的5.36GHz模型環(huán)形幾何VCO的電壓到頻率的轉換函數(shù)。應所述注意的是所述模型振蕩器具有新穎的頻率調(diào)諧能力和從0.6V到1.2V相對線性的電壓轉換函數(shù)特性。
圖9示出了具有圖6所示的特性的5.36GHz模型環(huán)形幾何VCO、在600kHz偏頻上隨控制電壓變化的測量的相位噪聲。應所述注意的是對于所述模型，相位噪聲與控制電壓的關系具有±1.5dB的變化，這表示了與現(xiàn)有技術振蕩器相比，具有顯著地改進，在現(xiàn)有技術振蕩器中，對于不同的頻率調(diào)諧條件，相位噪聲更差。
圖10是根據(jù)本發(fā)明之典型實施例的具有三個諧振振蕩回路的環(huán)形幾何振蕩器1000。環(huán)形幾何振蕩器1000包括具有內(nèi)部諧振振蕩回路1002和外部諧振振蕩回路1006的環(huán)形幾何振蕩器環(huán)1004。諧振振蕩回路1002和1006具有分布電感和電容，并且可替換地，可以由變?nèi)荻O管來取代上述電容，以提供附加的頻率控制。同樣地，可以使用合適數(shù)目的電容，為兩個諧振振蕩回路中的一個或兩個提供輸出，或者可以提供其它合適的特征，比如在此所描述的。
圖11是根據(jù)本發(fā)明之典型實施例的耦合環(huán)形幾何振蕩器1100的示意圖。耦合環(huán)形幾何振蕩器1100包括環(huán)形幾何振蕩器1102和環(huán)形幾何振蕩器1104，其中每個在相對角上具有單個振蕩器。可以提供合理數(shù)量的角、電容器或變?nèi)荻O管、耦合環(huán)形幾何振蕩器，以及提供合適的特征，例如在此所描述的那些。可以使用耦合環(huán)形幾何振蕩器來改善相位噪聲性能，減小對于給定電感值的振蕩器的死區(qū)，以及提供其他優(yōu)點。
圖12是根據(jù)本發(fā)明之典型實施例的耦合環(huán)形幾何振蕩器1200，其中每個具有雙振蕩器。在本典型的實施例中，雖然在環(huán)形幾何振蕩器1202和1204的每個上設置兩個角振蕩器，但是可以提供合理數(shù)量的角振蕩器、耦合環(huán)形幾何振蕩器、諧振振蕩回路、電容器或變?nèi)荻O管以及其它合適特征，比如這里所描述的那樣。
雖然在這里對本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的典型實施例進行詳細描述，但是本發(fā)明普通技術人員也應所述認識到可以在沒有背離所附權利要求的范圍和精神的情況下，對系統(tǒng)和方法做出各種替換和修改。
權利要求
1.一種集成壓控振蕩器，包括具有兩個端部的第一平板電感器；具有兩個端部的第二平板電感器；第一振蕩器芯，所述第一振蕩器芯與所述第一平板電感器的第一端部以及所述第二平板電感器的第二端部耦合；和第二振蕩器芯，所述第二振蕩器芯與所述第一平板電感器的第二端部以及所述第二平板電感器的第一端部耦合。
2.如權利要求1所述的集成壓控振蕩器，其中，所述第一平板電感器和所述第二平板電感器相互并聯(lián)。
3.如權利要求1所述的集成壓控振蕩器，還包括具有兩個端部的第三平板電感器；第三振蕩器芯，所述第三振蕩器芯與所述第三平板電感器的第一端部以及所述第二平板電感器的第二端部耦合；和其中，所述第一振蕩器芯與所述第三平板電感器的第二端部以及所述第一平板電感器的第一端部耦合。
4.如權利要求1所述的集成壓控振蕩器，還包括具有兩個端部的第三平板電感器；具有兩個端部的第四平板電感器；第三振蕩器芯，所述第三振蕩器芯與所述第三平板電感器的第一端部以及所述第二平板電感器的第二端部耦合；第四振蕩器芯，所述第四振蕩器芯與所述第三平板電感器的第二端部及所述第四平板電感器的第一端部耦合；并且其中，所述第一振蕩器芯與所述第四平板電感器的第二端部以及所述第一平板電感器的第一端部耦合。
5.如權利要求1所述的集成壓控振蕩器，其中，所述振蕩器芯是選自由NMOS振蕩器芯、PMOS振蕩器芯、互補振蕩器芯以及噪聲漂移差分考必茲振蕩器芯組成的組中一個或多個。
6.如權利要求4所述的集成壓控振蕩器，還包括與每個平板電感器的中點耦合的虛地。
7.如權利要求6所述的集成壓控振蕩器，其中，所述虛地包括與每個平板電感器的中點耦合的導電元件。
8.如權利要求4所述的集成壓控振蕩器，還包括設置在所述四個平板電感器中的拾波環(huán)，其中，在所述拾波環(huán)中感生振蕩信號。
9.如權利要求1所述的集成壓控振蕩器，還包括與所述第一振蕩器芯并聯(lián)的第一諧振振蕩回路電容器以及與所述第二振蕩器芯并聯(lián)的第二諧振振蕩回路電容器。
10.如權利要求9所述的集成壓控振蕩器，其中，所述平板電感器的每個具有選自由矩形、曲線狀、“L”形及“U”形組成的組中的一個的形狀。
11.一種用于在集成電路中提供壓控振蕩器信號的方法，包括經(jīng)由平板電感器來將多個振蕩器芯耦合，所述平板電感器被用來為所述多個振蕩器芯提供振蕩回路諧振電感；在振蕩頻率上激勵所述多個振蕩器芯；和從與所述平板電感器感應耦合的拾波線圈中接收所述振蕩信號。
12.如權利要求11所述的方法，還包括交叉連接所述平板電感器的中心點，以抑制寄生振蕩模式或自感應DC鎖存。
13.如權利要求11所述的方法，其中，經(jīng)由平板電感器將多個振蕩器芯耦合還包括從由NMOS振蕩器芯、PMOS振蕩器芯、互補振蕩器芯以及噪聲漂移差分考必茲振蕩器芯組成的組中的一個或多個中選取所述多個振蕩器芯。
14.如權利要求11所述的方法，其中，在振蕩頻率上激勵所述多個振蕩器芯包括調(diào)整電壓電平，以改變所述多個振蕩器芯的振蕩頻率。
15.如權利要求11所述的方法，還包括提供與每個振蕩器芯并聯(lián)的電容器。
16.如權利要求15所述的方法，其中，每個電容器選自由諧振振蕩回路電容器、變?nèi)荻O管以及開關電容器組構成的組。
17.一種集成壓控振蕩器，包括兩個或多個平板電感器，其中每個具有第一端部和第二端部；兩個或多個振蕩器芯，所述兩個或多個振蕩器芯與所述兩個或多個平板電感器中的一個的第一端部和所述平板電感器中的另一個的第二端部耦合；和其中，所述平板電感器和所述振蕩器芯形成一個連續(xù)電路。
18.如權利要求17所述的集成壓控振蕩器，其中，所述振蕩器芯選自由NMOS振蕩器芯、PMOS振蕩器芯、互補振蕩器芯以及噪聲漂移差分考必茲振蕩器芯組成的組中的一個或多個。
19.如權利要求17所述的集成壓控振蕩器，還包括與每個平板電感器的中點耦合的虛地。
20.如權利要求17所述的集成壓控振蕩器，其中，所述虛地包括與每個平板電感器的中點耦合的導電元件。
21.如權利要求1所述的集成壓控振蕩器，還包括設置在所述平板電感器中的拾波環(huán)，其中，在所述拾波環(huán)中感生所述振蕩信號。
22.如權利要求1所述的集成壓控振蕩器，還包括與每個振蕩器芯并聯(lián)的諧振振蕩回路電容器。
23.如權利要求1所述的集成壓控振蕩器，還包括與每個振蕩器感應耦合的一個或多個諧振振蕩回路。
24.如權利要求23所述的集成壓控振蕩器，其中，所述諧振振蕩回路鄰近每個振蕩器設置。
25.如權利要求23所述的集成壓控振蕩器，其中，所述諧振振蕩回路還包括兩個或多個平板電感器，其中每個具有第一端部和第二端部。
26.如權利要求23所述的集成壓控振蕩器，其中，所述諧振振蕩回路還包括兩個或多個平板電感器，其中每個具有第一端部和第二端部；和與所述兩個或多個平板電感器串聯(lián)的一個或多個電容器。
27.一種集成壓控振蕩器系統(tǒng)，包括第一壓控振蕩器，所述第一壓控振蕩器進一步包括；具有兩個端部的第一平板電感器；具有兩個端部的第二平板電感器；和第一振蕩器芯，所述第一振蕩器芯與所述第一平板電感器的第一端部和所述第二平板電感器的第二端部耦合；第二壓控振蕩器，所述第二壓控振蕩器進一步包括；具有兩個端部的第三平板電感器；具有兩個端部的第四平板電感器；和第二振蕩器芯，所述第二振蕩器芯與所述第三平板電感器的第一端部和所述第四平板電感器的第二端部耦合；和其中，所述第一壓控振蕩器和所述第二壓控振蕩器感應耦合。
28.如權利要求27所述的集成壓控振蕩器系統(tǒng)，其中，所述第一壓控振蕩器還包括與所述第一平板電感器的第二端部及所述第二平板電感器的第一端部耦合的第三振蕩器芯。
29.如權利要求27所述的集成壓控振蕩器系統(tǒng)，其中，所述平板電感器是L形。
30.如權利要求27所述的集成壓控振蕩器系統(tǒng)，其中，所述平板電感器的每個還包括第一直線部分；和第二直線部分，所述第二直線部分垂直于所述第一直線部分并且與所述第一直線部分的端部耦合。
全文摘要
提供一種集成壓控振蕩器。集成壓控振蕩器包括具有兩個端部的第一平板電感器和具有兩個端部的第二平板電感器。第一振蕩器芯與所述第一平板電感器的第一端及所述第二平板電感器的第二端連接，以及第二振蕩器芯與所述第一平板電感器的第二端及所述第二平板電感器的第一端連接。按照這種方式，低損耗平板電感器提供振蕩器諧振回路電感。
文檔編號H03B5/18GK1708896SQ200380101616
公開日2005年12月14日 申請日期2003年10月17日 優(yōu)先權日2002年10月18日
發(fā)明者賽義德-阿里·哈吉米里, 羅伯托·阿帕里西奧·裕 申請人:加利福尼亞技術協(xié)會