CN103988422A - 具有减小的单端电容的电压控制振荡器 - Google Patents

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Abstract

实施例提供具有减小的单端电容的电压控制振荡器(VCO)。在一个实施例中，VCO可包括变压器、电容器组和增益级。变压器可包括初级电感器和次级电感器，以及次级电感器可电感地耦合到初级电感器。电容器组可耦合到次级电感器，并且可提供VCO的总电容的大部分。增益级可耦合到初级电感器，以及配置成接收电源信号，并且驱动初级电感器中的差动电流，由此跨次级电感器感应其频率等于VCO的谐振频率的输出信号。

Description

具有减小的单端电容的电压控制振荡器
技术领域
一般来说，本公开的实施例涉及电子电路，以及更具体来说，涉及电压控制振荡器。
背景技术
电感-电容电压控制振荡器(LC-VCO)是通信***、例如无线通信***中的关键构建块。LC-VCO设计中的主要难题之一是在使功率消耗保持较低的同时取得低相位噪声。单端寄生电容是LC-VCO电路中的相位噪声的最大原因之一。
附图说明
将通过示范实施例而不是限制来描述附图中图示的本公开的实施例，附图中相似的参考标号表示相似的元件，附图包括：
图1A是按照各个实施例的电压控制振荡器的电路图；
图1B是按照各个实施例的电压控制振荡器的备选配置的电路图；以及
图2是按照各个实施例、包括电压控制振荡器的无线通信装置的框图。         
具体实施方式
本公开的说明性实施例包括但不限于用于具有减小的单端电容的电压控制振荡器的方法和设备。  
将使用本领域的技术人员通常用于向本领域的其他技术人员传达其工作主旨的的术语来描述说明性实施例的各个方面。然而，本领域的技术人员将清楚地知道，仅通过所述方面的一部分也可实施备选实施例。为了便于说明，提出具体数量、材料和配置，以便提供对说明性实施例的透彻了解。但是，本领域的技术人员将清楚地知道，即使没有具体细节也可实施备选实施例。在其它情况下，省略或简化了众所周知的特征，以免影响对说明性实施例的理解。
此外，各种操作将按照最有助于了解说明性实施例的方式依次描述为多个分立操作；但是，描述的顺序不应当被理解为暗示这些操作一定是顺序相关的。具体来说，这些操作不需要按照提出的顺序来执行。
反复使用词语“在一些实施例中”。该词语一般不是指相同实施例；但它也可指相同实施例。术语“包含”、“具有”和“包括”是同义词，除非上下文中另有规定。词语“A和/或B”表示(A)、(B)或者(A和B)。词语“A/B”表示(A)、(B)或者(A和B)，与词语“A和/或B”相似。词语“A、B和C中的至少一个”表示(A)、(B)、(C)、(A和B)、(A和C)、(B和C)或者(A、B和C)。词语“(A)B”表示(B)或者(A和B)，也就是说，A是可选的。    
虽然本文示出和描述了具体实施例，但是本领域的技术人员将会理解，大量备选和/或等效实现可取代所示和所述的具体实施例，而没有背离本公开的实施例的范围。本申请意在涵盖本文所述实施例的任何修改或变更。因此，本公开的实施例显然预计仅由权利要求书及其等效物来限制。  
如本文所使用的术语“模块”可表示包括运行一个或多个软件或固件程序的专用集成电路(ASIC)、电子电路、处理器(共享、专用或编组)和/或存储器(共享、专用或编组)、组合逻辑电路和/或提供所述功能性的其它适当组件或者作为其组成部分。 
各个实施例提供具有减小的单端电容的电压控制振荡器(VCO)。在一个实施例中，VCO可包括变压器、电容器组和增益级。变压器可包括初级电感器和次级电感器，以及次级电感器可电感地耦合到初级电感器。电容器组可耦合到次级电感器，以及电容器组可提供VCO的总电容的大部分。增益级可耦合到初级电感器，以及配置成接收电源(supply)信号，并且驱动初级电感器中的差动电流，由此跨次级电感器感应其频率等于VCO的谐振频率的输出信号。在一些实施例中，VCO还可包括一个或多个变抗器，其与初级电感器并联地耦合到增益级。在一个实施例中，变抗器可接收电源信号。
在一个实施例中，VCO电路可包括其中包含第一晶体管和第二晶体管的增益级，第一晶体管具有耦合到第一节点的第一漏极端子，以及第二晶体管具有耦合到第二节点的第二漏极端子。电路还可包括一对变抗器，其耦合在第一节点与第二节点之间，并且配置成在变抗器对之间的电源节点来接收电源信号。该电路还可包括耦合在第一节点与第二节点之间的第一电感器以及耦合在第三节点与第四节点之间的第二电感器，第二电感器电感地耦合到第一电感器。另外，该电路可包括耦合在第三节点与第四节点之间的电容器组，电容器组包括多个开关电容器，其配置成当接通时有选择地耦合在第三节点与第四节点之间。电容器组可提供VCO的总电容的大部分。
图1A示出按照各个实施例的VCO 100。VCO 100可以是电感-电容VCO(LC-VCO)100。在各个实施例中，VCO 100可包括具有初级级103和次级级105的变压器102。初级级103可包括初级电感器104，以及次级级105可包括次级电感器106。VCO 100还可包括增益级108和电容器组110。增益级108可耦合到初级级103，并且可接收输入信号(例如电源电压/电流)，以驱动初级电感器104中的电流。电容器组110可耦合到次级级105(例如耦合到次级电感器106)，并且可包括VCO 100的总电容的大部分。  
在一些实施例中，VCO 100可在电源节点112来接收输入信号，并且跨输出节点114a-b产生输出信号。次级电感器106可电感地耦合到初级电感器104，使得跨初级电感器104的差动电流(例如交流(AC))跨次级电感器106感应差动电压。  
在各个实施例中，电容器组110可与次级电感器106并联耦合。VCO 100的电容(例如来自电容器组110)和电感(例如来自初级电感器104和/或次级电感器106)可使VCO 100将直流(DC)输入信号转换为其频率等于VCO 100的谐振频率的交流(AC)输出信号。增益级108可提供增益以驱动初级电感器102中的差动电流，由此维持输出信号。
在一些实施例中，电容器组110可包括多个开关电容器118。如图1所示，在一些实施例中，开关电容器118布置成对，相应电容器118的对之间设置有开关120。备选地，电容器118可作为单电容器118和/或按照另一种布置来布置。当相应开关120接通时，电容器118可有选择地与第二电感器106并联耦合。开关120可单独地、集体地或者基于子集来控制(例如，独立地控制开关120的单独子集)。VCO 100的谐振频率可基于在特定时间接通的开关120的数量。在一些实施例中，VCO 100可包括任何适当数量的开关电容器118，例如大约2至大约1024对开关电容器118。
在一些实施例中，VCO 100可包括附加电容元件，例如一个或多个变抗器116。VCO 100的谐振频率可通过改变输入信号的幅值(例如电压电平)—其可改变变抗器116的电容—来进一步调整。在一些实施例中，如图1A所示，一对变抗器116可与初级电感器104并联地耦合到增益级108。电源节点112可设置在变抗器116的对之间。在一些实施例中，电容器组110可包括一个或多个变抗器，作为对耦合到初级电感器104的变抗器116的补充或替代。
在各个实施例中，电容器组110可提供VCO 100的总电容的大部分。电容器组110可以是单端电容的重要来源。如本文所使用的“单端电容”可定义为输出节点114a或114b与地之间的电容。单端电容可与输出节点114a-b的对之间的差动电容加以区分。如果将单端电容传递到增益级108(如在增益级直接驱动电容器组的VCO拓扑中可能发生)，则它可引起输出信号中的相位噪声。但是，变压器102可防止电容器组110所引起的单端电容传递到增益级108。而是只有差动电容可在次级电感器106与初级电感器104之间传递。相应地，通过使VCO 100的总电容的大部分耦合到次级级105(例如耦合到次级电感器106)，VCO 100的单端电容可充分减小。相应地，VCO 100可具有低相位噪声。另外，VCO 100的功率消耗可以比较小。
在一个实验中，具有耦合到变压器的次级级的开关电容器组的58 GHz VCO在与载波的1 MHz偏移和2 GHz的带宽下呈现大约-110 dBc/Hz的相位噪声(每赫兹带宽低于载波数的分贝)。这些结果证明低于其它VCO设计所提供的相位噪声。
在一些实施例中，VCO 100的总电容的基本上全部可耦合到次级电感器106。例如，VCO 100中的全部开关电容器118可耦合到次级电感器106。初级电感器104可以耦合到或者可以不耦合到变抗器116的对，其可占VCO 100的总电容的较小部分。在其它实施例中，一个或多个开关电容器118可耦合到初级电感器104。
在一些实施例中，增益级108可包括一对交叉耦合晶体管122a-b(例如第一晶体管122a和第二晶体管122b)。在一个实施例中，第二晶体管122b的栅极可在初级电感器104的第一端子124耦合到第一晶体管122a的漏极，以及第一晶体管122a的栅极可在初级电感器104的第二端子126耦合到第二晶体管122b的漏极。第一晶体管122a和第二晶体管122b的源极可耦合到接地端子128。
图1B示出VCO 100中的增益级108的备选配置，其中晶体管122a-b的栅极耦合到次级级105。如图1B所示，第二晶体管122b的栅极可耦合到次级电感器106的第一端子130，以及第一晶体管122a的栅极可耦合到次级电感器106的第二端子132。晶体管122a-b仍然可按照图1B所示的配置来交叉耦合，因为各晶体管122a-b的栅极可分别从端子124或126(晶体管122a-b的漏极与其耦合)分别耦合到VCO 100的相对侧上的次级电感器106的端子132或130。
虽然第一和第二晶体管122a和122b分别在图1A-B中示为n型晶体管(例如，n型金属氧化物半导体(NMOS)晶体管)，但是在其它实施例中，第一和第二晶体管122a和122b可以是p型晶体管(例如，p型金属氧化物半导体(PMOS)晶体管)。备选地，第一晶体管122a或第二晶体管122b其中之一可以是n型晶体管 ，而另一个可以是p型晶体管。此外，实施例可包括任何具有变压器的VCO拓扑，其中具有驱动变压器的初级级的增益级以及VCO的总电容负载的大部分耦合到变压器的次级级。
在各个实施例中，输入信号可由电源(未示出)、例如电压源和/或电流源来提供。在一些实施例中，电源可在如图1A-B所示的电源节点112耦合到VCO 100。在其它实施例中，电源可例如在第一晶体管 122a和第二晶体管122b的源极耦合到与图1A-B所示的电源节点112不同的节点。
在各个实施例中，初级电感器104和/或次级电感器106可具有任何适当的匝数。在一些实施例中，初级电感器104和/或次级电感器106可具有相同的匝数。在其它实施例中，初级电感器104可具有比次级电感器106更多或更少的匝数。
本文所述的VCO 100可结合到多种***中。图2对于一个实施例示出示例***200，其中包括一个或多个处理器204、耦合到(一个或多个)处理器204的至少一个处理器的***控制逻辑208、耦合到***控制逻辑208的***存储器212、耦合到***控制逻辑208的非易失性存储器(NVM)/存储装置216以及耦合到***控制逻辑208的网络接口220。在各个实施例中，***200可以是无线通信装置。
一个或多个处理器204可包括一个或多个单核或多核处理器。一个或多个处理器204可包括通用处理器和专用处理器(例如，图形处理器、应用处理器等)的任何组合。 
一个实施例的***控制逻辑208可包括任何适当的接口控制器，以便提供到(一个或多个)处理器204的至少一个处理器和/或到与***控制逻辑208进行通信的任何适当装置或组件的任何适当接口。
一个实施例的***控制逻辑208可包括一个或多个存储控制器，以便提供到***存储器212的接口。***存储器212可用来加载和存储例如用于***200的数据和/或指令。一个实施例的***存储器212可包括例如任何适当的易失性存储器，例如适当的动态随机存取存储器(DRAM)。
例如，NVM/存储装置216可包括用于存储数据和/或指令的一个或多个有形、非暂时计算机可读介质。NVM/存储装置216可包括任何适当的非易失性存储器，例如闪速存储器，和/或可包括例如任何适当的非易失性存储装置，例如一个或多个硬盘驱动器(HDD)、一个或多个压缩盘(CD)驱动器和/或一个或多个数字多功能光盘(DVD)驱动器。
NVM/存储装置216可包括这样的存储资源：物理上是***200安装在其上或通过其可访问***200的设备的一部分，但不一定是该设备的一部分。例如，可以通过网络经由网络接口220访问NVM/存储装置216。
网络接口220可具有无线电收发器222，以便为***200提供无线电接口以通过一个或多个网络和/或与任何其它适当装置进行通信。网络接口220可包括任何适当的硬件和/或固件。网络接口220可包括一个或多个天线。例如，网络接口220可包括多个天线，以提供MIMO无线电接口。一个实施例的网络接口220可包括例如网络适配器、无线网络适配器、电话调制解调器和/或无线调制解调器。
在一些实施例中，收发器222可配置成通过无线通信网络来传送和/或接收数据信号。数据信号可以在载波频率来传送和/或接收。在其它实施例中，收发器222可通过有线网络和/或另一个通信接口来发送数据信号。  
在各个实施例中，VCO 100可耦合到收发器222，以促进收发器222发送和/或接收数据信号。VCO 100可为收发器222提供VCO 100的输出信号，以及VCO 100的谐振频率可经过调整(例如通过控制开关120和/或输入信号和电源节点112)，以产生其频率等于载波频率的输出信号。收发器222可使用VCO 100的输出信号、通过无线通信网络来传送和/或接收数据信号。
在一些实施例中，***200可用于无线通信网络中，这些无线通信网络采用如例如2009年5月13日批准的电气和电子工程师协会(IEEE)802.16-2009连同任何修正、更新和/或修订、第三代合作伙伴项目(3GPP)长期演进(LTE)项目、高级LTE项目、超移动宽带(UMB)项目(又称作“3GPP2”)等中提出的多载波传输方案所使用的正交频分多址(OFDMA)通信。在其它实施例中，通信可与附加/备选通信标准和/或规范兼容。
对于一个实施例，(一个或多个)处理器204的至少一个可与***控制逻辑208的一个或多个控制器的逻辑封装在一起。对于一个实施例，(一个或多个)处理器204的至少一个可与***控制逻辑208的一个或多个控制器的逻辑封装在一起，以形成***级封装(SiP)。对于一个实施例，(一个或多个)处理器204的至少一个可与***控制逻辑208的一个或多个控制器的逻辑集成在同一个裸晶上。对于一个实施例，(一个或多个)处理器204的至少一个可与***控制逻辑208的一个或多个控制器的逻辑集成在同一个裸晶上，以形成芯片上***(SoC)。
***200还可包括输入/输出(I/O)装置232。I/O装置232可包括：用户接口，设计成实现用户与***200的交互；外设部件接口，设计成实现外设部件与***200的交互；和/或传感器，设计成确定与***200相关的环境条件和/或位置信息。  
在各个实施例中，用户接口可包括但不限于显示器(例如液晶显示器、触摸屏显示器等)、扬声器、麦克风、一个或多个照相机(例如静态照相机和/或摄像机)、闪光灯(例如发光二极管闪光)和键盘。  
在各种实施例中，外设部件接口可包括但不限于非易失性存储器端口、音频插孔和电源接口。  
在各种实施例中，传感器可包括但不限于陀螺仪传感器、加速度计、接近传感器、环境光传感器和定位单元。定位单元也可以是网络接口220的组成部分或者与其交互，以便与定位网络的组件、例如全球定位***(GPS)卫星进行通信。  
在各种实施例中，***200可以是移动计算装置，诸如但不限于膝上型计算装置、平板计算装置、上网本、智能电话等。作为补充或替代，***200可以是台式计算装置(例如个人计算机)、机顶盒和/或无线基站(例如演进NodeB(eNodeB)接入点(AP)等)。在各种实施例中，***200可具有更多或更少的组件和/或不同的架构。  
在其它实施例中，VCO 100和/或VCO 200可结合到其它装置中和/或用于其它目的，例如促进装置之间的有线通信，和/或促进同一装置的不同组件之间的通信。
虽然本文描述了某些示例方法、设备和制造产品，但是本公开的涵盖范围并不局限于此。相反，本公开涵盖在字面上或者在等效物的原则下完全落入所附权利要求书的范围的所有方法、设备和制造产品。例如，虽然以上公开了包括在硬件上运行的软件或固件以及其它组件的示例***，但是应当注意，这类***只是说明性的，而不应当被理解为进行限制。具体来说，考虑所公开的硬件、软件和/或固件组件的任一个或全部可专门通过硬件、专门通过软件、专门通过固件或者通过硬件、软件和/或固件的某种组合来体现。

Claims (20)

1. 一种电压控制振荡器(VCO)，包括：
    变压器，包括初级电感器和次级电感器，所述次级电感器电感地耦合到所述初级电感器；
    电容器组，耦合到所述次级电感器，所述电容器组提供所述VCO的总电容的大部分；以及
    增益级，耦合到所述初级电感器，以及配置成接收电源信号，并且驱动所述初级电感器中的差动电流，由此跨所述次级电感器感应其频率等于所述VCO的谐振频率的输出信号。
2. 如权利要求1所述的VCO，还包括与所述初级电感器并联耦合到所述增益级的一个或多个变抗器，所述一个或多个变抗器配置成接收所述电源信号。
3. 如权利要求1所述的VCO，其中，所述电容器组包括多个开关电容器，所述开关电容器在接通时有选择地与所述次级电感器并联耦合。
4. 如权利要求3所述的VCO，其中，所述电容器组包括所述VCO的所述开关电容器的全部。
5. 如权利要求3所述的VCO，其中，所述多个开关电容器布置成电容器对，所述电容器对之间耦合有开关。
6. 如权利要求1所述的VCO，其中，所述初级电感器包括第一和第二端子，并且所述增益级包括具有第一漏极和第一栅极的第一晶体管以及具有第二漏极和第二栅极的第二晶体管，其中：
所述第一漏极耦合到所述第一端子；
所述第二漏极耦合到所述第二端子；
所述第一栅极耦合到所述第二端子；以及
所述第二栅极耦合到所述第一端子。
7.  如权利要求1所述的VCO，其中，所述初级电感器包括第一和第二端子，所述次级电感器包括第三和第四端子，并且所述增益级包括具有第一漏极和第一栅极的第一晶体管以及具有第二漏极和第二栅极的第二晶体管，其中：
所述第一漏极耦合到所述第一端子；
所述第二漏极耦合到所述第二端子；
所述第一栅极耦合到所述第四端子；以及
所述第二栅极耦合到所述第三端子。
8. 如权利要求1所述的VCO，其中，所述电容器组包括与所述次级电感器并联耦合的一个或多个变抗器。
9.  一种电路，包括：
    包含第一晶体管和第二晶体管的增益级，所述第一晶体管具有耦合到第一节点的第一漏极端子，并且所述第二晶体管具有耦合到第二节点的第二漏极端子；
    一对变抗器，耦合在所述第一节点与所述第二节点之间，并且配置成在所述变抗器对之间的电源节点来接收电源信号；
    第一电感器，耦合在所述第一节点与所述第二节点之间；
    第二电感器，耦合在第三节点与第四节点之间，所述第二电感器电感地耦合到所述第一电感器；以及
    电容器组，耦合在所述第三节点与所述第四节点之间，所述电容器组包括配置成当接通时有选择地耦合在所述第三节点与所述第四节点之间的多个开关电容器。
10.如权利要求9所述的电路，其中，所述电容器组提供所述电路的总电容的大部分。
11.如权利要求9所述的电路，其中，所述增益级配置成驱动所述第一电感器，并且所述第一电感器配置成跨所述第三节点和第四节点创建输出信号，所述输出信号是频率等于所述电路的谐振频率的交流信号，所述谐振频率取决于接通的所述多个开关电容器的数量。
12.如权利要求9所述的电路，其中，所述第一晶体管包括第一栅极端子，并且所述第二晶体管包括第二栅极端子，所述第一栅极端子耦合到所述第二节点，以及所述第二栅极端子耦合到所述第一节点。
13.如权利要求9所述的电路，其中，所述第一晶体管包括第一栅极端子，并且所述第二晶体管包括第二栅极端子，所述第一栅极端子耦合到所述第四节点，以及所述第二栅极端子耦合到所述第三节点。
14.如权利要求9所述的电路，其中，所述第一晶体管或者所述第二晶体管包括n型金属氧化物半导体(NMOS)晶体管。
15.如权利要求9所述的电路，其中，所述第一晶体管或者所述第二晶体管包括p型金属氧化物半导体(PMOS)晶体管。
16.一种设备，包括：
    收发器，配置成传送和/或接收具有载波频率的数据信号；以及
    电感-电容电压控制振荡器(LC-VCO)，耦合到所述收发器，所述LC-VCO配置成产生其频率等于所述载波频率的输出信号，并且所述LC-VCO包括：
    变压器，包括初级级和次级级，所述次级级电感地耦合到所述初级级；
    增益级，耦合到所述初级级，并且配置成在所述次级级的输出端子感应所述输出信号；
    其中所述LC-VCO的总电容的大部分耦合到所述次级级。
17.如权利要求16所述的设备，还包括通过一个或多个开关有选择地耦合在所述次级级的所述输出端子之间的一个或多个电容器。
18.如权利要求17所述的设备，其中，所述一个或多个电容器包括只在所述LC-VCO中的电容器。
19.如权利要求18所述的设备，还包括与所述增益级并联耦合的一个或多个变抗器，所述变抗器配置成接收输入电压。
20.如权利要求16所述的设备，其中，所述增益级包括一对交叉耦合晶体管。
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