專利名稱：電壓控制振蕩器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電壓控制振蕩器以及一種操作電壓控制振蕩
器的方法，更具體地，涉及一種電壓控制振蕩器以及將正交LC電 壓控制振蕩器的I內(nèi)核和Q內(nèi)核強制在相同的共模電平的方法。
背景技術(shù)：
許多通信系統(tǒng)在混頻時都需要正交時鐘信號以實現(xiàn)鏡像抑制。 典型地，可以使用圖1中所示的以及下文中更為詳細(xì)地描述的兩個
相同的電壓控制振蕩器(vco)來產(chǎn)生正交時鐘信號。正交時鐘信
號必須具有精確的90度相移，否則該相位關(guān)系中的任何誤差都會 導(dǎo)致輸出數(shù)據(jù)中的誤差。
一種已知的用于將兩個相同的電壓控制振蕩器鎖定為90度相 移(即，為了實現(xiàn)正交)的方法是"交叉耦合"技術(shù)，該技術(shù)由 A. Rofougaran等人在IEEE int. Solid State Circuits Conf. (ISSCC) Dig-Tech. Paper, pp.392-393, 1996的"A 900 MHz CMOS LC-oscillator with quadrature outputs" 中著述。
這個觀點由Chao-Shiun Wang等人在Proceedings of 2004 IEEE Asia-Pacific Conference on Advanced System Integrated Circuits 2004, 4-5 Aug. 2004 Page(s): 138-141的"A Low Phase Noise Wide Tuning Range CMOS Quadrature VCO using Cascade Topology" 中4尋以進一步改進。這篇論文中描述的vco內(nèi)核被用作本發(fā)明中vco的基礎(chǔ)， 不過我們應(yīng)理解，本發(fā)明還可以使用其他類型的vco。
圖2是根據(jù)上述Chao-Shiun Wang的參考文獻(xiàn)的第一 VCO內(nèi) 核4和第二 VCO內(nèi)核6的連接的示意圖。這里不再詳細(xì)討論每個 VCO內(nèi)核4、 6的連接。詳細(xì)內(nèi)容可以在上面提到的原始的 Chao-Shium Wang參考文獻(xiàn)中找到，其全部內(nèi)容結(jié)合于此作為參考。
配置用于產(chǎn)生I信號的第一VC0 4包括如圖所示連接的電感器 41和可變電容器42。應(yīng)注意，例如，可以4吏用才莫擬電壓或lt字選 擇來電壓控制可變電容器。配置用于產(chǎn)生Q信號的第二 VCO 6除 輸入和輸出之外與第一 VCO 4相同，并且還具有電感器61和可變 電容器62。如上所述，例如，可以使用模擬電壓或數(shù)字選擇來電壓 控制可變電容器。
交叉耦合至VCO內(nèi)核4、 6 (見圖1和圖2)的串聯(lián)裝置的操 作使第一VCO內(nèi)核4和第二VCO內(nèi)核6以90度相位差工作。通 過開關(guān)裝置以及內(nèi)核中的電流(由自動增益控制環(huán)控制并由偏置器 件的匹配所影響)確定每個VCO內(nèi)核中的共才莫電平。在理想的仿 真^)犬態(tài)下，匹配是完美的，并且I內(nèi)核和Q內(nèi)核工作在相同的共才莫 電平下。然而， 一旦引入實際的失配特性，共模電平就會偏離，這 會帶來導(dǎo)致相位差的結(jié)果。
在共才莫電平上的I和Q匹配的相依性(dependence)不會總是 尋皮7見測到，因為有時會l吏用每個內(nèi)核中兩個分離的電感器來i殳計正 交VCO，其中，兩個電感器的各自 一端均連4妄至正才及供電線 (positive supply rail)或4妄i也。在^Vang的電3各的情況下，不可能 使用這種結(jié)構(gòu)。這是因為Wang的電路中在LC槽(tank)的上方和 下方均需要開關(guān)裝置。使用兩個分離的具有接地或與電源連接的內(nèi) 核電感器會導(dǎo)致共^t電平被強制在這個電壓上，并且阻礙了開關(guān)裝置的正確工作。鑒于這種限制，對共模電平的敏感度在Wang的電 ^各中就成為更重要的問題了 。
還有備選的方案。例如，可以通過提高偏置電路和開關(guān)裝置中 的匹配來減小裝置失配的影響。然而，這是通過增大裝置尺寸來實 現(xiàn)的。這反而造成了增加芯片面積的缺點，更重要地，這增加了 VCO內(nèi)核中的寄生電容負(fù)載。這在諸如超寬帶的高速通信系統(tǒng)中是 非常關(guān)4建的，因為它限制了 VCO的最大"^展蕩頻率，并且由此限制 了收發(fā)器的最大工作頻率。因此，這種方案不可能應(yīng)用于超寬帶系 統(tǒng)(其工作頻率需要在8.5GHz或更高)的VCO中。
共才莫反饋還可以用來l奮正共才莫電平中的差。然而，這種方案所 需的有源電路(active circuitry )耗費電能、面積和設(shè)計工作。共模 反饋還具有產(chǎn)生附加噪聲源的缺點，這在諸如具有4艮緊密的相位噪 聲需求(phase noise requirement)的超寬帶系統(tǒng)中是個難題。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種電壓控制振蕩器以及操作電壓 控制振蕩器的方法，其可以避免上述缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種電壓控制振蕩器，包括第 一電壓控制振蕩器內(nèi)核和第二電壓控制振蕩器內(nèi)核，用于分別產(chǎn)生 I正交分量和Q正交分量。每個電壓控制振蕩器內(nèi)核均包括電感器。 連接部件被電耦合至每個電感器。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了 一種用于強制電壓控制振蕩器 中的共模電平的方法，該電壓控制振蕩器包括第 一 電壓控制振蕩器 內(nèi)核和第二電壓控制振蕩器內(nèi)核，用于分別產(chǎn)生I正交分量和Q正
7交分量，每個內(nèi)核均包4舌電感器。該方法包4舌如下步驟利用連4妄 部件將電感器電耦合在 一起。
本發(fā)明具有4是供了一種保i正在交叉耦合的VCO的I內(nèi)核和Q 內(nèi)核中使用相同共模電平的簡單方法的優(yōu)點，并且降低了 VCO對 裝置失配影響的敏感度。這種提高了的穩(wěn)固性對于依靠I信道和Q 信道間的精確相位差的通信系統(tǒng)來說是很關(guān)鍵的。當(dāng)在諸如130 nm CMOS的小型幾何處理中進行設(shè)計時，這些問題變得更為顯著，因 為越小的裝置尺寸通常會導(dǎo)致越大的失配。
根據(jù)本發(fā)明的另 一個方面，提供了 一種用于輔助電壓控制振蕩 器的啟動的方法，該電壓控制振蕩器包括第 一電壓控制振蕩器內(nèi)核 和第二電壓控制振蕩器內(nèi)核，用于分別產(chǎn)生I正交分量和Q正交分 量，每個內(nèi)核包括電感器。該方法包括如下步驟利用連4妄部件電 耦合電感器，以輔助電壓控制振蕩器的啟動。
因此，本發(fā)明還具有克服潛在的啟動問題(接下來將詳細(xì)4又述) 的伊乙點。


為了更好的理解本發(fā)明，并且更為清楚地展示它是如何實現(xiàn) 的，將僅以例子的方式對下述附圖進行參照。
圖1是用于產(chǎn)生正交輸出的VCO的示意性框圖2是用于圖1的VCO中的兩個VCO內(nèi)核的電^各圖3是根據(jù)本發(fā)明的具有連接部件的兩個VCO內(nèi)核的電路圖4是根據(jù)本發(fā)明的連接部件的物理實現(xiàn)的代表圖；圖5a和5b是示出了連接部件和電感器可以如何連接的備選實 例的示意圖。
具體實施例方式
圖l是示出了正交VCO 2的結(jié)構(gòu)和連接性的示意性框圖。正 交VCO 2具有分別產(chǎn)生I和Q正交輸出的第一 VCO內(nèi)核4和第二 VCO內(nèi)核6。第一 VCO內(nèi)核4和第二VCO內(nèi)核6本身將在下述圖 2和圖3中更為詳盡地描述。
自動增益控制塊8向第一VCO內(nèi)核4和第二VCO內(nèi)核6才是供 電流。'T， VCO內(nèi)核4產(chǎn)生輸出信號Iout+和Iout-。這些輸出信號 作為輸入信號#皮#是供至第二 VCO內(nèi)核6 ( "Q"內(nèi)核)，其中Iout十 被提供至第二 VCO內(nèi)核6的正極輸入端"in+",而Iout-被提供至 第二VCO內(nèi)核6(即，Q內(nèi)核)的負(fù)極輸入端"in-"。之后Q VCO 內(nèi)沖亥6產(chǎn)生豐敘出^言號Qout+和Qout-。
輸出信號Qout+和Qout-進一步作為輸入^是供至第一 VCO內(nèi)核 4 (即，I VCO )用于產(chǎn)生信號Iout+和Iout-，從而形成反饋通路。 然而，Q VCO的輸出在被反饋給I VCO內(nèi)核4的時候被翻轉(zhuǎn)，這 是由于Qout+被提供至I VCO內(nèi)核4的in-輸入端，且Qout-被提供 至I VCO內(nèi)核4的in+輸入端。
一尋全部的四個專命出(Qout+， Qout-, Iout+, Iout-)豐lr入至用于相 應(yīng)地調(diào)整供^合至兩個內(nèi)核4、 6的電流的自動增益控制塊8。自動增 益控制塊8形成振幅控制環(huán)的一部分，該環(huán)用來調(diào)節(jié)最佳的信號擺 幅(signal swing )。
還;)夸四個豐命出(lout+, 1out-,Qout+, Qout-)分別作為I和Q的正 交輸出而從VCO 2輸出。
9圖2是才艮據(jù)上述Chao-Shiun Wang的參考文獻(xiàn)的VCO內(nèi)核4、 6的電^各圖。
這里不再詳細(xì)討論VCO內(nèi)核4、 6中每一個的連接。詳細(xì)內(nèi)容 可以在上面^是到的原始的Chao-Shium Wang參考文獻(xiàn)中找到，其全 部內(nèi)容結(jié)合于此作為參考。
I VCO 4包括如圖所示連接的電感器41和可變電容器42。除 了輸入和輸出被反轉(zhuǎn)之外，QVC06與IVC04相同。換句話說， I VCO 4具有Qout-和Qout+作為llT入以及Iout-和Iout+作為llr出， 而Q VCO 6具有Iout-和1out+作為llT入以及Qout-和Qout+作為車lr 出。Q VC0 6具有電感器61和可變電容器62。
I VCO 4還包4舌六個津禺合裝置43、 44、 45、 46、 47和48,其 中耦合裝置43和44以及47和48形成交叉耦合對。該交叉耦合對 如負(fù)阻抗^殳工作。
QVC0 6還包括六個耦合裝置63、 64、 65、 66、 67和68,其 中耦合裝置63和64以及67和68形成交叉耦合對。
交叉耦合至VCO內(nèi)核4、 6 (見圖1和圖2)的串聯(lián)裝置的操 作4吏VCO內(nèi)核以90度的相位差工作。
如上所述，通過開關(guān)裝置以及內(nèi)核中的電流(由自動增益控制 環(huán)控制并由偏置器件的匹配所影響)確定每個VCO內(nèi)核中的共模 電平。在理想的仿真狀態(tài)下，匹配是完美的，并且I內(nèi)核和Q內(nèi)核 工作在相同的共模電平下。然而， 一旦引入實際的失配特性，共模 電平就會偏離，而結(jié)果4皮一見為相4立差。才艮據(jù)本發(fā)明的解決方案利用存在于每個電感器41、 61中點的 "虛擬接地"點。這個中點應(yīng)該視為沒有直流(DC)電流，并且能 被用于連接內(nèi)核內(nèi)的直流電平。
圖3示出了本發(fā)明的一個示例性實施例。在該圖中提供了一對 對應(yīng)于圖2所示的內(nèi)核的VCO內(nèi)核4、 6。才艮據(jù)本發(fā)明，配置連4妄 部件70用于將電感器41、 61連接至一起。優(yōu)選地，連接部件70 具有金屬軌(metal track)的形態(tài)。寬而厚的金屬軌使該連接具有 才及4氐的阻抗。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的電感器結(jié)構(gòu)和中間接線(centre tap)連接 部件的物理實現(xiàn)的^f戈表圖。
優(yōu)選地，電感器41、 61是如圖5a的示意圖所示的對稱電感器， 并且連接部件70被配置為將電感器41、 61的中心或中點連接在一起。
可選地，如圖5b所示，每個電感器41、 61均可包含兩個分離 的電感器元件41a和41b,以及61a和61b。在這種配置中，連接 部件70分別連接到連接有第一電感器元件41a、 41b的節(jié)點以及連 4妄有第二電感器元^牛61a、 61b的節(jié)點。也應(yīng)理解，包含圖5a和圖 5b混合形式的實施例也是可行的，其中電感器41、 61中的一個包 含對稱電感器，而電感器41、 61中另一個包含第一和第二電感器 元件41a/41b或61a/61b。
多種電路配置的仿真表明，連接部件70使裝置失配的敏感度 顯著降低。如上所述，在啟動時也觀測到了優(yōu)點，此時共享共模有 助于降低不必要的啟動狀態(tài)的可能性，例如，在該狀態(tài)中一個VCO 具有高共模，而另一個VCO具有低共模。這種狀態(tài)會延長啟動時 的設(shè)置時間，因為例如I VCO 4中的低共模會把極低的過度激勵(overdrive )提供給Q VCO 6的串耳關(guān)裝置。這會使降寸氐Q VCO 6 的高共模電平變得更困難，并由此向I VCO串聯(lián)裝置提供高過度激 勵，使I VCO 4的共模電平保持得很低。
盡管示出了關(guān)于正交VCO的發(fā)明，通過^f奮正共才莫電平的差來 才是高I和Q匹配的方法還可以:故用于諸如其它LC VCO、正交分配 器或正交1￡沖器(quadrature buffering )的其它電^各中。
本發(fā)明具有l(wèi)是供一種4呆i正在交叉津禺合VCO的I內(nèi)核和Q內(nèi)核 中使用相同的共模電平的簡單方法的優(yōu)點。本發(fā)明對于諸如用于超 高頻系統(tǒng)的高頻特別有優(yōu)勢，此時其它的共才莫^務(wù)正方法會有降4氐工 作頻率的不期望獲得的效果。
需要指出的是，上述實施例是舉例說明而非限制本發(fā)明，本領(lǐng) 域的技術(shù)人員能夠在不偏離所附的權(quán)利要求的范圍的情況下設(shè)計 許多備選的實施例。詞語"包括"不排除權(quán)利要求中所列的元件或 步驟以外的元件或步驟的存在，"一個(a)"或"一個(an)"不排
中所述的幾個單元的功能。權(quán)利要求中的任何參考符號不應(yīng)被理解 為限制它們的范圍。
權(quán)利要求
1.一種電壓控制振蕩器，包括第一電壓控制振蕩器內(nèi)核和第二電壓控制振蕩器內(nèi)核，用于分別產(chǎn)生I正交分量和Q正交分量，每個所述電壓控制振蕩器內(nèi)核均包括電感器；以及連接部件，電耦合至每個所述電感器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓控制振蕩器，其中，至少一個所述電感器是對稱電感器，并且所述連接部件耦合至所述至少一個電感器的中點。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電壓控制振蕩器，其中，至少一個所述電感器包括第一電感器元件和第二電感器元件，并且所述連接部件連接至連接所述第一電感器元件和所述第二電感器元件的節(jié)點。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項所述的電壓控制振蕩器，其中，所述連4妄部件具有^f氐電阻。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的電壓控制振蕩器，其中，所述連接部件包括金屬軌。
6. 根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項所述的電壓控制振蕩器，其中，所述電壓控制振蕩器是LC電壓控制振蕩器。
7. —種超寬帶裝置，包括根據(jù)權(quán)利要求1至6中的任一項所述的電壓控制振蕩器。
8. —種用于強制電壓控制振蕩器中的共模電平的方法，所述電壓控制振蕩器包括第一電壓控制振蕩器內(nèi)核和第二電壓控制振蕩器內(nèi)核，用于分別產(chǎn)生I正交分量和Q正交分量，每個內(nèi)核均包括電感器；所述方法包括利用連接部件將所述電感器電耦合在一起。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，至少一個所述電感器是對稱電感器，并且所述方法還包括將所述連接部件連接至所述至少 一個電感器的中點的步艱纟。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的方法，其中，至少一個所述電感器包括第一電感器元件和第二電感器元件，并且所述方法還包括將所述連接部件連接至連接所述第一電感器元件和所述第二電感器元件的節(jié)點的步驟。
11. 4艮據(jù)卄又利要求8至10中的任一項所述的方法，其中，所述連接部件具有4氐電阻。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述連接部件包括金屬軌。
13. 根據(jù)權(quán)利要求8至12中的任一項所述的方法，其中，所述電壓控制振蕩器是LC電壓控制振蕩器。
14. 一種用于輔助電壓控制振蕩器的啟動的方法，所述電壓控制振蕩器包括第一電壓控制振蕩器內(nèi)核和第二電壓控制振蕩器內(nèi)核，用于分別產(chǎn)生I正交分量和Q正交分量，每個內(nèi)核包括電感器；所述方法包括利用連接部件電耦合所述電感器，以輔助所述電壓控制振蕩器的啟動。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電壓控制振蕩器，它包括第一電壓控制振蕩器內(nèi)核和第二電壓控制振蕩器內(nèi)核，用于分別產(chǎn)生I正交分量和Q正交分量。每個電壓控制振蕩器內(nèi)核包括電感器。連接部件電耦合至每個電感器，從而將VCO的I內(nèi)核和Q內(nèi)核強制到相同的共模電平。本發(fā)明具有提供一種保證在交叉耦合VCO的I內(nèi)核和Q內(nèi)核中使用相同共模電平的簡單方法的優(yōu)點，特別是在高工作頻率上具有優(yōu)勢。本發(fā)明還具有克服潛在的啟動問題的優(yōu)點，并且減少了對于裝置失配影響的敏感度。當(dāng)在諸如130nm CMOS的小型幾何處理中進行設(shè)計時，這些問題變得更顯著，因為越小的裝置尺寸經(jīng)常導(dǎo)致越大的失配。
文檔編號H03B5/06GK101517888SQ200780035285
公開日2009年8月26日 申請日期2007年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月21日
發(fā)明者戴維·威爾遜 申請人:Iti蘇格蘭有限公司