專利名稱：振蕩器電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及振蕩器電路領(lǐng)域，特別不限于具有在GHz范圍內(nèi)的振蕩頻率的高頻振蕩器電路的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
從現(xiàn)有技術(shù)中可知在GHz范圍內(nèi)工作的大量振蕩器電路。從K.Ettinger，M.Bergmair，H.Pretl，W.Thomann，J.Fenk，R.Weigel，“AnIntegrated 20GHz SiGe Bipolar Differential Oscillator with HighTuning Range”，Proceedings of the 2000 Bipolar/BiCMOS Circuitsand Technology Meeting(BCTM)，Minneapolis，2000，pp.161-163.ISBN0-7803-6384-1中可知具有14GHz-21.5GHz調(diào)諧范圍的振蕩器電路。這種振蕩器電路是用SiGe雙極技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，并且其特征是由芯片上條線電感器和振蕩器晶體管的寄生電容構(gòu)成的振蕩回路。輸出緩沖器電感地耦合到振蕩回路上。振蕩器芯由LC振蕩回路和交叉耦合的差分放大器構(gòu)成。交叉耦合的對(duì)提供負(fù)電阻，從而補(bǔ)償振蕩回路的電阻損失。這種振蕩器電路的缺點(diǎn)之一是由交叉耦合差分放大器提供的負(fù)電阻只足以用于高達(dá)21.5GHz的頻率。
用CMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的同樣的高頻振蕩器可從以下文獻(xiàn)中知道C.DeRanter and M.Steyaert，“A 0.25μm CMOS 17GHzVCO”in ISSCC Digestof Technical Papers，pp.370-371，F(xiàn)eb.2001。這種振蕩器電路也具有基于LC-振蕩回路的壓控振蕩器，該振蕩器具有交叉耦合晶體管對(duì)，從而禰補(bǔ)電阻器和線圈中的功率損失。
從http//www.esscirc.org/esscirc2001/proceedings/data/169.pdf可知基于這種設(shè)計(jì)的具有集成高Q電感器的另一種壓控LC振蕩器。
這種電路在高達(dá)10GHz的頻率下工作。從http//eesof.tm.agilent.com/pdf/nordic_vlsi.pdf可知另一種適用于2.4GHz的壓控LC調(diào)諧振蕩器。
對(duì)于其它現(xiàn)有技術(shù)振蕩器電路的例子在美國(guó)專利No.4810976、美國(guó)專利No.6249190B1、和WO02/065632A1中示出。再次使用交叉耦合晶體管對(duì)用于使壓控振蕩器芯不衰減。
現(xiàn)有技術(shù)高頻振蕩器存在的共同缺點(diǎn)是頻率范圍受到交叉耦合晶體管對(duì)的限制，該交叉耦合晶體管對(duì)只提供高達(dá)一定頻率的足夠的負(fù)電阻。這個(gè)頻率限制取決于使用的技術(shù)，例如在QUBiC4G的情況下的25GHz。
因此，需要提供一種改進(jìn)的振蕩器電路，能增加現(xiàn)有技術(shù)頻率限制。本發(fā)明由獨(dú)立權(quán)利要求來限定。從屬權(quán)利要求限定有利的實(shí)施例。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種具有第一和第二射極跟隨器的振蕩器電路，所述第一和第二射極跟隨器對(duì)稱地耦合到諧振器。該射極跟隨器具有容性負(fù)載。射極跟隨器的晶體管的容性負(fù)載導(dǎo)致輸入阻抗的負(fù)實(shí)際值，這具有使諧振器不衰減(un-damping)的效果。因此，避免了使用交叉耦合晶體管對(duì)。
優(yōu)選地，作為L(zhǎng)C振蕩器實(shí)現(xiàn)了諧振器。例如，諧振器可以通過具有用于調(diào)頻的調(diào)諧電壓的電感器和可變電抗器來實(shí)現(xiàn)。與這個(gè)可變電抗器串聯(lián)，添加用于低串聯(lián)電阻的高值電容器。由此，可變電抗器的陽極經(jīng)過高歐姆串聯(lián)電阻而DC接地，陰極可從零伏調(diào)諧到電源電壓VCC。其寄生現(xiàn)象很高的可變電抗器的底板(bottom plate)是共模方式。這種技術(shù)具有在電源電壓內(nèi)的最大可能調(diào)諧范圍。該可變電抗器被偏置在零偏置與反偏置之間。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，作為共陰極振蕩回路電路來實(shí)現(xiàn)諧振器電路?；蛘?，諧振器電路是共陽極振蕩回路電路。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，通過第二射極跟隨器對(duì)提供第一和第二射極跟隨器的容性負(fù)載。這種方式提供了兩對(duì)級(jí)聯(lián)射極跟隨器。
替換地或此外，在第一和第二射極跟隨器之間耦合一電容器，以便提供容性負(fù)載。
根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例，在電源電壓和諧振器之間耦合電平移位器。該電平移位器可以由一個(gè)或多個(gè)二極管來實(shí)現(xiàn)。二極管用做電平移位，因?yàn)樵谏錁O跟隨器的基極-集電極結(jié)開始在諧振器上箝位信號(hào)之前，它能實(shí)現(xiàn)在諧振器兩端的較大信號(hào)擺幅。
本發(fā)明特別有利的地方在于不借助交叉耦合晶體管對(duì)也能實(shí)現(xiàn)高頻振蕩器電路。特別是，本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)具有低和高頻率限制的振蕩器電路，這取決于使用的技術(shù)，例如在QUBiC4G的情況下的20GHz以上和高達(dá)40GHz。這對(duì)于類似于鎖相環(huán)、上-變換器、下-變換器、混合器和信號(hào)發(fā)生器等應(yīng)用來說是特別有利的。
使用本發(fā)明獲得的其它優(yōu)點(diǎn)如下-由于來源于交叉耦合晶體管對(duì)的噪聲消失了，因此改進(jìn)了相位噪聲；-所需芯片面積減小了；-由于射極跟隨器的高容性負(fù)載而實(shí)現(xiàn)了在振蕩器電路的輸出端的高信號(hào)擺幅；-由于通過諧振器電路連接較少的寄生現(xiàn)象，因此振蕩器電路的調(diào)諧范圍顯著增加。


下面將參照附圖詳細(xì)介紹本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其中圖1是由第二射極跟隨器對(duì)提供容性負(fù)載的第一實(shí)施例的方框圖；圖2是具有耦合在射極跟隨器之間的附加電容器的本發(fā)明第二實(shí)施例的方框圖；圖3表示輸出緩沖器的并聯(lián)等效輸入阻抗；圖4表示諧振器(電感器和可變電抗器)的并聯(lián)等效RC-電路；圖5表示在從39.4GHz到43.1GHz調(diào)諧范圍內(nèi)的瞬時(shí)結(jié)果；圖6表示在40GHz的相位噪聲結(jié)果；圖7表示正交振蕩器的方框圖；圖8表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的使用并聯(lián)耦合的正交振蕩器；和圖9表示根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的使用串聯(lián)耦合的正交振蕩器。
具體實(shí)施例方式
圖1表示具有諧振器102的振蕩器電路100。在這里考慮的例子中，諧振器102具有電感器104，它對(duì)稱地耦合到提供電流Id的電流源106；另一電感器104對(duì)稱地耦合到電源電壓。諧振器102具有帶有控制端110的可變電抗器108，以便施加用于調(diào)頻的調(diào)諧電壓Vtune。電容器112與可變電抗器108串聯(lián)耦合。優(yōu)選地，電容器112具有高值和因此具有低串聯(lián)電阻。因此，可變電抗器108的陽極經(jīng)過高歐姆串聯(lián)電阻114而DC接地，陰極，即控制端110可從零伏調(diào)諧到電源電壓。可變電抗器的底板是共模方式。這種技術(shù)允許在電源電壓內(nèi)的最大可能調(diào)諧范圍。諧振器110是共陰極型的，因而諧振器102的陽極分別耦合到射極跟隨器116和118。射極跟隨器116和118具有對(duì)稱設(shè)計(jì)，并且都包括晶體管T1和電源源Ief1。射極跟隨器116和118的晶體管T1的基極耦合到諧振器102的陽極。射極跟隨器116和118的容性負(fù)載由射極跟隨器120和122提供。另一射極跟隨器120和122對(duì)稱地設(shè)計(jì)，并且每個(gè)具有晶體管T2和電流源Ief2。射極跟隨器120的晶體管T2的基極耦合到射極跟隨器116的晶體管T1的發(fā)射極；同樣，射極跟隨器122的晶體管T2的基極耦合到射極跟隨器118的晶體管T1的發(fā)射極。由射極跟隨器120和122提供的晶體管T1的容性負(fù)載導(dǎo)致從諧振器102看到的輸入阻抗的負(fù)實(shí)部。輸入阻抗的這個(gè)負(fù)實(shí)部用于使諧振器102不衰減。電阻器Rs用于實(shí)現(xiàn)單端輸出阻抗，從而提供輸出端OUT+和OUT-。例如，每一個(gè)電阻器Rs都具有50歐姆的阻抗。輸出OUT+和OUT-借助電容器Cac耦合到輸出負(fù)載124上，該輸出負(fù)載優(yōu)選也為50歐姆。
圖2表示另一實(shí)施例的方框圖。圖1和2中的相同元件用相同參考標(biāo)記表示。與圖1的實(shí)施例相同，圖2實(shí)施例的諧振器102耦合到級(jí)聯(lián)射極跟隨器116、120和118、122。射極跟隨器120提供射極跟隨器116的容性負(fù)載；同樣，射極跟隨器122提供到射極跟隨器118的容性負(fù)載。在這里考慮的實(shí)施例中，增加電容器C1，從而增加了射極跟隨器116和118的容性負(fù)載。電容器C1連接在晶體管T1的發(fā)射極之間。如果電容器C1的電容足夠大，則其也可以省去射極跟隨器120和122，并且直接將電阻器Rs連接到晶體管T1的發(fā)射極。另外，在電源電壓和諧振器102之間對(duì)稱地耦合電平移位電路126。電平移位電路126具有二極管D1和與二極管D1并聯(lián)連接的電容器Cx。二極管D1用做電平移位器，并在晶體管T1的基極-集電極結(jié)開始在諧振器102上箝位信號(hào)之前，用于允許在諧振器102兩端大到兩個(gè)二極管信號(hào)擺幅?？梢蕴砑痈郊拥亩O管，它與二極管D1串聯(lián)連接，從而進(jìn)一步增加最大可得到的信號(hào)擺幅。二極管D1的附加噪聲由電容器Cx過濾，同時(shí)也可以通過使用電流源Id增加流過二極管D1的DC電流來減小其噪聲。
由于射極跟隨器116和118的容性負(fù)載產(chǎn)生的輸出緩沖器的輸入阻抗的負(fù)實(shí)部具有1/(f2)的斜率(slope)
RP=1real(Yin)=-ωrω2C1]]>其中C1是射極跟隨器120和122的輸入電容，Rp是從諧振器102看到的差分并聯(lián)輸入電阻。由于從諧振器102開始振蕩時(shí)這個(gè)電阻的絕對(duì)值必須低于正電阻，因此這種技術(shù)在負(fù)電阻足夠低的頻率以上是特別有用的。在現(xiàn)有技術(shù)振蕩回路中，通常情況下，由于可變電抗器的固定串聯(lián)電阻而在增加頻率下和由于趨膚效應(yīng)而增加電感器的串聯(lián)電阻下，品質(zhì)因素降低。由于諧振器102的并聯(lián)電阻具有比1/(f2)更平緩的斜率，因此該新技術(shù)在較高頻率下有用，這取決于使用的技術(shù)，例如在QUBiC4G的情況下在20GHz以上和高達(dá)40GHz。圖3中示出了輸出緩沖器的并聯(lián)等效輸入阻抗。在40GHz時(shí)，等效RC電路是與21fF并聯(lián)的-504Ω，能在飛利浦QUBiC4G工藝中進(jìn)行40GHz VCO的實(shí)際實(shí)施。在56GHz時(shí)，電阻不再是負(fù)的，利用這種新技術(shù)在QUBiC4G中對(duì)于LC-VCO在56GHz設(shè)置了一個(gè)新的頻率限制。
圖4表示在QUBiC4G中諧振器102的實(shí)際實(shí)施的并聯(lián)等效RC電路。與這個(gè)諧振器102(來自緩沖器)并聯(lián)的-504Ω的負(fù)電阻足夠開始在0.5V以上的調(diào)諧電壓下進(jìn)行振蕩(其中來自振蕩回路的正并聯(lián)電阻為+526Ω)。利用圖2新技術(shù)的LC-VCO的瞬時(shí)結(jié)果示于圖5中。相位噪聲結(jié)果示于圖6中。調(diào)諧范圍從39.4GHz到43.1GHz(從0.5調(diào)諧到3.5V)。相位噪聲是最壞情況(在0.5V調(diào)諧電壓)，在4GHz下為-92dBc/Hz。電路原理也可以使用PNP晶體管代替NPN晶體管來實(shí)施。如果NPN和PNP晶體管可獲得，則輸出緩沖器可以作為類-A/B來實(shí)施。而且，可以使用NMOS和/或PMOS晶體管，只要緩沖器的第一級(jí)，即射極跟隨器116、118提供90度相移和保持(部分地)容性負(fù)載即可。
圖1和2的技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)，其中一些優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下-經(jīng)過輸出緩沖器不衰減，利用給定振蕩回路電路，總是導(dǎo)致調(diào)諧范圍增加和較高的振蕩頻率。這兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)是由于在將現(xiàn)有技術(shù)中的交叉耦合雙極電路與包括級(jí)聯(lián)的兩個(gè)射極跟隨器的輸出緩沖器相比時(shí)，減少了對(duì)諧振器的容性負(fù)載產(chǎn)生的；-本發(fā)明可以避免交叉耦合雙極對(duì)(-2/gm)。這是頻率的限制因素，因?yàn)樵陔娮枳優(yōu)檎牡胤截?fù)電阻具有一定的頻率限制。這種頻率限制低于圖1和2的技術(shù)；-對(duì)于固定振蕩回路電路來說，與現(xiàn)有技術(shù)相比，新技術(shù)的相位噪聲結(jié)果總是良好的，這是因?yàn)閬碓从诮徊骜詈蠈?duì)的噪聲不再存在了；-由于圖1和2的輸出緩沖器包括兩個(gè)級(jí)聯(lián)的射極跟隨器，因此在集電極中沒有信號(hào)擺幅，這允許較高擺動(dòng)。在現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)中，通常添加退化差分對(duì)作為緩沖器的第一級(jí)，從而具有與振蕩回路并聯(lián)的高歐姆電阻。對(duì)于該級(jí)，衰減很高，導(dǎo)致等效振蕩回路的較低電壓擺動(dòng)；-省略交叉耦合對(duì)減少了VCO的功率消耗。
圖7表示正交振蕩器的方框圖。正交信號(hào)產(chǎn)生可以用幾種方式來實(shí)施。對(duì)于低相位噪聲，通常將諧振器(LC)-型VCO作為結(jié)構(gòu)單元(building block)。使用兩個(gè)LC-VCO芯加上一些裝置來耦合它們，實(shí)現(xiàn)了正交信號(hào)產(chǎn)生。在圖7中，示出了用于IQ產(chǎn)生的這種原理。兩個(gè)VCO芯基本上是相同的。都假設(shè)產(chǎn)生差分輸出信號(hào)。在該回路中的一個(gè)交叉耦合實(shí)現(xiàn)了180度相移；每個(gè)芯提供90度相移。LC型VCO芯的幾種實(shí)施方式是公知的。該芯使用前述的LC振蕩回路電路。
圖8表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的使用并聯(lián)耦合的正交振蕩器。第一振蕩器電路包括第一對(duì)晶體管Tc1、Tc2，第二振蕩器電路包括耦合到各個(gè)第三射極跟隨器120、120’和各個(gè)第四射極跟隨器122、122’的第二對(duì)晶體管Tc1’、Tc2’。第一對(duì)晶體管Tc1、Tc2的集電極耦合到第二振蕩器電路中包含的振蕩回路電路上，第二對(duì)晶體管Tc1’、Tc2’的集電極交叉耦合到第一振蕩器電路的振蕩回路電路。并聯(lián)實(shí)施的缺陷是由于從晶體管Tc1、Tc2和Tc1’、Tc2’耦合到圖中的振蕩回路的連接造成的增加振蕩回路負(fù)載，耦合晶體管的基極也可以耦合到發(fā)射極120、122、120’和122’。
圖9表示根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的使用串聯(lián)耦合的正交振蕩器。第一振蕩器電路包括第一對(duì)晶體管Tc1、Tc2，第二振蕩器電路包括耦合到第三射極跟隨器120、122和各個(gè)第四射極跟隨器120’、122’的第二對(duì)晶體管Tc1’、Tc2’。第一對(duì)晶體管Tc1、Tc2的集電極耦合到第二對(duì)晶體管Tc1’、Tc2’的各基極上。第二對(duì)晶體管Tc1’、Tc2’的集電極交叉耦合到第一對(duì)晶體管Tc1、Tc2的各基極上。正交振蕩器的串聯(lián)實(shí)施方式是優(yōu)選的，因?yàn)長(zhǎng)C振蕩回路的負(fù)載減小了。此外，由于耦合晶體管的串聯(lián)連接而不必增加總偏置電流。耦合晶體管Tc1、Tc2、Tc1’、Tc2’共享各個(gè)射極跟隨器120、122、120’和122’的偏置電流Ief2。
參照雙極技術(shù)但是是本發(fā)明概念的實(shí)施的實(shí)施例可以被適當(dāng)?shù)匦拚鴳?yīng)用于其它技術(shù)，如GaAs、SiGe、CMOS等。因而，端子基極、發(fā)射極和集電極分別對(duì)應(yīng)柵極、源極和漏極。
顯然本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于這里所述的實(shí)施例。權(quán)利要求中的參考標(biāo)記不限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。術(shù)語“包括”并不排除在權(quán)利要求中所述部件以外的其它部件。在元件前面加的術(shù)語“一”不排除多個(gè)這種元件。形成本發(fā)明的部分的手段都可以用專用硬件形式或用編程目的處理器的形式來實(shí)施。本發(fā)明在于每個(gè)新特征或這些特征的組合。
參考標(biāo)記100 振蕩器電路102 諧振器104 電感器106 電流源108 可變電抗器110 控制端112 電容器114 電阻116 射極跟隨器118 射極跟隨器120 射極跟隨器122 射極跟隨器124 輸出負(fù)載126 電平移位電路
權(quán)利要求
1.一種振蕩器電路，包括諧振器裝置(102)，和第一和第二射極跟隨器(116、118)，它們對(duì)稱地耦合到諧振器裝置并具有容性負(fù)載(120、122、C1)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的振蕩器電路，其中諧振器是LC諧振器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的振蕩器電路，其中諧振器是壓控諧振器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的振蕩器電路，其中諧振器具有可變電抗器(108)，該可變電抗器(108)具有用于調(diào)頻的控制電壓輸入(110)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的振蕩器電路，其中電容器(112)與可變電抗器串聯(lián)耦合，并且可變電抗器的底板是共模方式。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)的振蕩器電路，其中諧振器電路是共陰極振蕩回路電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)的振蕩器電路，其中諧振器電路是共陽極振蕩回路電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)的振蕩器電路，還包括第三射極跟隨器(120)和第四射極跟隨器(122)，第一和第三射極跟隨器是級(jí)聯(lián)的，并且第二和第四射極跟隨器是級(jí)聯(lián)的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)的振蕩器電路，其中電容器(C1)耦合在第一和第二射極跟隨器(116、118)之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)的振蕩器電路，還包括耦合在電源電壓和諧振器裝置之間的電平移位器裝置(126)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的振蕩器電路，其中電平移位器裝置包括至少一個(gè)二極管(D1)。
12.一種正交振蕩器，包括交叉耦合到權(quán)利要求8-11中所述的第二振蕩器電路的如權(quán)利要求8-11所述的第一振蕩器電路。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的正交振蕩器，其中第一振蕩器電路包括第一對(duì)晶體管(Tc1、Tc2)，第二振蕩器電路包括耦合到各個(gè)第三射極跟隨器(120、120’)和各個(gè)第四射極跟隨器(122、122’)的第二對(duì)晶體管(Tc1’、Tc2’)，第一對(duì)晶體管(Tc1、Tc2)的集電極耦合到第二振蕩器電路中包含的振蕩回路電路上，第二對(duì)晶體管(Tc1’、Tc2’)的集電極交叉耦合到第一振蕩器電路的振蕩回路電路。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的正交振蕩器，其中第一振蕩器電路包括第一對(duì)晶體管(Tc1、Tc2)，第二振蕩器電路包括耦合到第三射極跟隨器(120、122)和各個(gè)第四射極跟隨器(120’、122’)的第二對(duì)晶體管(Tc1’、Tc2’)，第一對(duì)晶體管(Tc1、Tc2)的集電極耦合到第二對(duì)晶體管(Tc1’、Tc2’)的基極上，第二對(duì)晶體管(Tc1’、Tc2’)的集電極交叉耦合到第一對(duì)晶體管(Tc1、Tc2)的基極上。
15.一種電子器件，如鎖相環(huán)、上-變換器、下-變換器、混合器或信號(hào)發(fā)生器，包括前述權(quán)利要求1-14中任一項(xiàng)的振蕩器電路。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種振蕩器電路，包括諧振器裝置(102)以及第一和第二射極跟隨器(116、118)，它們對(duì)稱地耦合到諧振器裝置并連接到其它射極跟隨器(120、122)上，用于提供容性負(fù)載。
文檔編號(hào)H03B5/12GK1751430SQ200480004606
公開日2006年3月22日 申請(qǐng)日期2004年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月20日
發(fā)明者H·韋恩斯特拉, E·范德海登, W·L·陳 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司