基于相位调谐技术调谐LC振荡器频率的方法和电路

技术领域

概括地来说，本发明涉及一种LC振荡器，具体地来说是涉及一 种运用了调相调频技术的，具有多相位输出的LC振荡器。

背景技术

在有线传输和无线传输的通讯系统中，能产生低噪声时钟或者 本地振荡(LO)信号的LC振荡器是一类十分关键的部件。而且现代的 通讯系统往往需要多种相位的时钟或者是LO信号。比如说，零中频 (zero-IF)的接收机需要同相位和正交相位(I&Q)的信号来调制和解 调，I&Q信号也是，例如像weaver和hartley类型的镜像抑制接收机， 工作的先决条件。此外，其他的应用，例如，相控阵雷达和半采样速 率的时钟和数据恢复，同样需要多相位的时钟或者LO信号。

为了在不同频率的信道上接收或者发射信号，或是为了应对工 艺、电压和温度的变化，在实际应用中，需要LC振荡器的频率是可 调的。通常来说，电容调谐的方法包括变容二极管调谐和开关电容阵 列，是最广泛地被应用来调节LC振荡器的振荡频率的。但是，这种 电容调谐的方法却存在着很多缺陷。比如说，用来调谐频率的电容会 严重地加载谐振腔的负荷，导致更低的工作频率和更高的功耗；调谐 电容也会造成调幅噪声向调相噪声(AM-to-PM)转换，从而降低相位 噪声的性能和损害振荡器的稳定性；此外，电容调谐的方法需要在深 亚微米的CMOS技术中不能获得的足够大范围的调谐电压。

在另一方面，强大的CMOS缩微技术使设计和集成在毫米波 (MMW)频段下的压控振荡器(VCOs)成为可能。相比射频(RF)的 压控振荡器，因为更低劣的调谐电容的品质因数(Q)，和由GHz/V量 级的大的压控振荡器增益造成的严重AM-to-PM噪声转换，毫米波压 控振荡器的频谱纯度严重地下降。此外，调谐电容的有效调谐比例和 品质因数之间更为苛刻的折衷关系，以及在深亚微米CMOS技术中 降低了的供电电压，使得电容调谐的方法对毫米波压控振荡器变得更 加地无效。

在此，已知为品质因数的Q因数是一个描述电振荡器或谐振器 欠阻尼程度或者相当于表征谐振器相对于其中心频率的带宽的无维 参数。Q因数越高表示振荡器的能量损失相对于所存储的能量而言速 度越慢。换句话说，振荡衰减越慢。另一方面，Q因数越高的振荡器 阻尼越低，因此振荡时间越长。在电谐振系统中，Q因数由电路的电 阻、电感和电容确定。

发明内容

本发明提供了一种无需使用电容调谐来调谐具有多相位输出的 基于LC的环形振荡器的振荡频率的方法以及相关的设备。

概括地来说，这个方法提供了一种通过调谐相位来调谐基于LC 的环形振荡器工作频率的技术，其无需在环形振荡器任何一级的LC 谐振腔中使用可调谐的容性器件。具体地来说，这种相位调谐的LC 环形振荡器包含了多级电路，每一级电路均含有一个差分电路。该振 荡器的多级电路之间互相连接而形成了一个环状的结构，其中每一级 电路中都有一个主要的LC谐振腔，其可以在各自的每一级电路中， 提供一定量的固定相移。每一级电路都被装备了一个具有可调谐的或 者等效于可调谐的相移的相位调谐(phase tuning，PT)单元，通过 调谐这些单元的相移，在每一级电路中的主LC谐振腔的相移会被相 应地改变，以使得整个环形振荡器的相位条件得到满足。因此，整个 环形振荡器的工作频率可以被充分地调谐和控制。

通过适当地决定每一个相位调谐单元所提供的相移，可以使LC 环形振荡器在以每一级电路中得主LC谐振腔的峰值频率为中心的一 定的频率范围内工作。LC环形振荡器的振荡频率可以低于，高于或 者基本上等于主LC谐振腔的峰值频率。此应用于LC环形振荡器的 相位调谐的方法可以有效地克服传统电容调谐方法的很多缺点，其中 包括了谐振腔品质因数的下降，AM-to-PM噪声转换，以及深亚微米 CMOS电路中越来越小的供电电压对调频范围的限制。此外，LC环 形振荡器的多级电路可以使用具有最佳的品质因数的LC谐振腔，对 噪声进行多次地滤波。因此，本发明的调相调频的LC环形振荡器可 以产生高频率、宽调频范围和低相位噪声的，具有多相位的输出信号。

作为更进一步的一个实施范例，一个调相调频的LC环形振荡器 在一个0.13微米CMOS工艺被成功地实现，其可以产生在50GHz 的、在10MHz偏移频率上有-127.8dBc/Hz相位噪声的、6.8％频率调 谐范围的、-186.4dB品质因数(FoM)的、8相位的输出信号。在另一 例实施范例中，一个同样用0.13微米CMOS工艺实现的调相调频LC 环形振荡器，可以产生在60GHz的、在10MHz偏移频率上有 -118.5dBc/Hz相位噪声的、9％频率调谐范围的、-180.5dB品质因数 (FoM)的、4相位的输出信号。和传统的毫米波VCO集成电路相比， 以上描述的调相调频LC环形振荡器可以提供更优越的相位噪声性能 和更好的FoM。

在本发明的另一个可供选择的实施例中，提供了一种调谐多相 位输出的LC振荡器频率的方法，其中该振荡器包括串连成环状结构 的多级电路，并且每一级电路从前一级电路的输出信号中产生这一级 电路的输出信号。这个方法包括：给一级电路的输入信号的至少一部 分中施加一个相移；从这一级电路的输入信号中被相移的部分和未被 相移的部分产生第一输出信号和第二输出信号，然后合并第一输出信 号和第二输出信号来形成这一级电路的输出信号；并且通过改变第一 输出信号和第二输出信号中的至少一个来调节这一级电路的输出信 号的相位。

依照另外一个可供选择的实施方案，提供一种用于调谐多相位 输出LC振荡器频率的方法，其中该多相位输出LC振荡器包括串连 成环状结构的多级电路，并且每一级电路从前一级电路的输出信号中 产生这一级电路的输出信号。这个方法包含，给一级电路的输入信号 的至少一部分中施加至少一个相移；合并多个输出信号来形成这一级 电路的输出信号；然后通过改变所述多个输出信号中的至少一个来调 节这一级电路的输出信号的相位。

依照本发明的另外一个可供选择的实施方案，提供了一种可调 谐的多相位输出环形振荡器。该振荡器包括串连成环状结构的多级电 路。每一级电路利用前一级电路的输出信号产生这一级电路的输出信 号，并且包括多个跨导单元、至少一个相移模块、一个振荡器单位、 和用于调节这一级电路的输出信号的相位的装置。所述的每一个跨导 单元利用这一级电路的输入信号的至少一部分来产生一个输出信号。 所述至少一个相移模块给这一级电路的输入信号的至少一部分中施 加至少一个相移。所述振荡器单元从多个跨导单元的输出信号的结合 中产生这一级电路的输出信号。所述的用于调节这一级电路的输出信 号的相位的装置包括用于改变所述多个跨导单元输出信号中的至少 一个的装置。

附图说明

图1A描绘了一个依照本发明的示例性实施例的8相位输出LC 振荡器的电路图；

图1B展示了图1A中所描述的LC振荡器中的LC谐振腔的频 率响应；

图2A、2B、2C和2D描述了本发明所运用的具有可调相移的跨 导电路的各种实现方法；

图3A描述了利用相位内插来产生可变相移的跨导电路的另一 种实现方法；

图3B阐释了图3A中所描述的注入到LC谐振腔中的电流的矢 量图；

图4A和4B分别描述了本发明所运用的具有固定相移的增益级 的实现方法；

图5A描绘了另一个依照本发明的示例性实施例的4相位输出 LC振荡器电路图；

图5B描述了一个依照图5A的实现方法的具有可调相移的跨导 电路图；

图5C阐释了注入到图5B中所描述的LC谐振腔中的电流的矢 量图；

图6分别展示了具备50GHz、8相位输出的和60GHz、4相位输 出的两个调相调频LC振荡器原型的芯片图像；

图7描述了一个依照本发明的另一个实施例的多相位LC振荡器 的电路图；

图8描述了一个依照本发明的再一个实施例的多相位LC振荡器 电路图；

图9描述了依照本发明的各种实施例的调节多相位输出环形振 荡器频率的方法的流程图。

具体实施方式

概括地说，这里所描述的发明提供了一种调节多相位输出环形 振荡器频率的方法，该多相位输出环形振荡器包含了串连成环状结构 的多级电路。依照本发明的各种不同的实施例，在各级电路的输入信 号中引入一个相移，通过调谐输入信号的相移来来调节输出信号的相 位，因而调谐环形振荡器的工作频率。

依照图9中所描述的一些可选择的实施方案，提供一种方法10 来调谐多相位环形振荡器的工作频率。依照这种实施方案，当环形振 荡器的各级接收到一个输入信号(11)时，至少有一个相移被施加给这 个输入信号的至少一部分(12)。从输入信号中被相移的那部分产生了 多个输出信号(13)。然后多个输出信号被结合在一起构成这一级电路 的输出(14)，其被用来当做下一级电路的输入。通过改变多个输出信 号中的至少一个，来调节这级输出信号的相位，因而环形振荡器的工 作频率可以被相应地调谐(15)。

在更进一步的实施方案中，通过一些可变的电路器件(其中包 含一个或多个可调电容和一个或多个可调电阻)，特定的相移可以在 输入信号输入到各级电路之前引入到输入信号中去。通过调节这些可 变的电路器件来调节每一级的相移，因而振荡器的工作频率可以被相 应地调谐。

在另外一种实施方案中，在多相位振荡器的各级电路中，一个 固定的相移可以被引入到输入信号中来产生第一输出信号。另外，一 部分没有经过相移的输入信号可以用来产生第二输出信号。这第一和 第二输出信号可以被合并来产生这一级电路的输出信号，其中这个输 出信号是第一和第二输出信号的矢量合成。这一级电路输出信号的相 移，因而也是振荡器的工作频率，可以通过调节第一和第二输出信号 中的至少一个信号的幅度和相位，来被相应地调谐。

在再一种实施方案中，在每一级电路里，第一固定的相移可以 被引入到输入信号的第一部分中来产生第一输出信号，并且第二固定 的相移可以被引入到输入信号的第二部分中来产生第二输出信号。第 一输出信号和第二输出信号可以被合并来产生这一级电路的输出信 号，其中这个输出信号是第一输出信号和第二输出信号的矢量合成。 这一级电路输出信号的相移因而也是振荡器的工作频率，可以通过调 节第一和第二输出信号幅度中的至少一个，来被相应地调谐。

在又一种实施方案中，在每一级电路里，输入的信号可以被分 成多个部分，各个不同的相移可以被分别引入到输入信号的各个部分 中。多个均由被相移了的输入信号的各个部分产生的输出信号，可以 被合成来产生这一级电路的输出信号，其中这个输出信号是多个输出 信号的矢量合成。这一级电路输出信号的相移因而也是振荡器的工作 频率，可以通过调节多个输出信号幅度中的至少一个，来被相应地调 谐。

现在回到图1A，其描述了含有多级电路620的一个多相位输出 LC振荡器600的电路图。每一级电路620包括一个LC谐振腔110 和一个相位调谐单元610，后者拥有一对差分输入端和一对差分输出 端。整个振荡器的多级电路被串联起来形成一个环状的结构，其中最 后一级的输出端被连接到第一级的输入端。

每一个LC谐振腔110包含了两个分别连接于一个共用电压源 Vdd和相位调谐单元610的两个差分输出端之间的基本LC振荡器。 每一个基本的LC振荡器包含了并联的电感101/102和电容103/104。

在工作时，环形振荡器600产生一个环绕回路连续传播的开关 瞬态，因而产生振荡。为了得到稳定的振荡，有两个条件必须要满足。 第一，整个回路总共的电压增益至少要为1，这样在延回路传播时振 荡信号才能不衰减或者渐渐消失。第二，整个回路总共的相位移动需 要为零、或则概括地说为2π*M，这里M可以为任意的整数，这样在 延回路传播一圈后振荡信号才能和自身同步，从而让自身保持稳定。

当所有级的电路620都基本上相同时，为了满足增益条件和相 位条件，每一级电路620需要提供至少为1的增益和(π+2π*M)/N的 相移，这里N代表了振荡器的级数，而这个额外的π是因为如图1A 所示的最后一级和第一级电路之间的交叉连接。

在各级电路620中，输入的电压信号首先由跨导单元610转换 成一个电流信号，然后在输出端由LC谐振腔110转换回电压信号。 当相移单元601提供的相移分量为零时，依照相位条件，每级电路 620的输出信号的总相移都由LC谐振腔来提供。因此，振荡器会工 作在能使得LC谐振腔的相移为(π+2π*M)/N的某个频率。因为这里 的M有多种选择，所以有可能存在不止一个能满足相位条件的频率。 最后的结果是，整个振荡器会被调整然后工作在LC谐振腔110的阻 抗为最大时的那个频率，从而来优化振荡器的增益条件。

依照图1A所示的4级振荡器的实施方案，在每一级电路620中， 因为在跨导510之前施加了一个额外的相移601，每一级电路的相 位条件就相对应地变为通过改变的值，由LC 谐振腔110提供的相移θ的值就会被相应地改变，因而改变振荡频率。 该4级振荡器的信号相位。如图1B所示，当时，LC谐振腔 110不需要提供任何的相移，来使振荡器600工作在LC谐振腔的峰 值频率。另一方面，如果被减小到-π/2，振荡器的工作频率也会被 相应地减小到ω_osc2，这也是单调的频率调谐范围的边界条件。

图2A-D描述了具有图1A中所示的可调相移的跨导单元610的 各种具体实施方案。具体地讲，图2A和2B详细地展示了通过在跨 导510之前配置可调电容701和702，和/或可调电阻703和704，来 调谐相位延迟的实施方案。

因为由无源器件造成的损耗会影响整个振荡器的增益条件，额 外的有源器件(例如晶体管705和706)可以和可变电容和电阻配合 起来使用，形成一增益级电路710，如图2C所示。注意，在这个实 施方案中，可调电阻703和704会对振荡器贡献噪声，而且由RC滤 波器提供的相移是负的。

在如图2D所示的实施方案，图2C中的可调电阻可用可调电感 707和708来替代，来使振荡器600工作在主LC谐振腔110的峰值 频率的周围。另外，降低品质因数的电阻721和722可以并联加入到 谐振腔700d中。

图3A提供了跨导单元610的另一种实施方案。在这个方案中， 一个由固定相移模块830所提供的固定的相移β，被用来引入一个由 跨导晶体管804和805产生的经过延迟的电流i₁。如图3B所示，通 过将经过延迟的电流i₁与由跨导晶体管801和802所产生的没有经 过延迟的电流i₀的合并，总电流i_t的延迟可以通过调谐直流电流I₀和I₁来控制，其中I₀和I₁被用来分别给晶体管对804和805，以及 801和802施加偏压。如图3B所示，电流i₀、i₁和i_t都是输出电流的 矢量表达，每一个电流可以通过幅度和相位来决定。在图3B中，这 些电流都用他们的矢量表达来描述，其中，这些电流之间相对的相移 可以通过相对应的矢量之间夹角来决定。如图3B所示，通过LC谐 振腔的总电流i_t是所述被相移了的电流输出i₁和未被相移的电流输 出i₀的矢量合成。输出电流i_t的相位可以通过调节电流i₀和/或i₁的 幅度来调谐。因此，这可以通过改变电流源803和/或806的大小来 完成。举例来说，对于一个4级的调相调频振荡器，为了得到最大单 调的频率调谐范围，LC谐振腔的相移θ应该在-π/4和π/4之间任意 可调，因此相移需要在0和-π/2之间任意可调。结果，在800中 固定的相移β需要被大约设置为-π/2。因为跨导单元800不需要任何 可调的无源器件，这种方案可以降低AM-to-PM的噪声转变，提供更 好的相位噪声性能，并且频率调谐的范围不受供电电压的限制。

固定相移模块830有着和图2C和2D中的相位调谐模块710和 720相类似的结构。图4A展示了固定相移模块830的一种实施方案， 其中，输入电压被施加到跨导晶体管905和906上，然后被转换成电 流信号，后者通过流入由固定电阻901和902以及固定电容903和 904组成的差分RC滤波器。依照这种实施方案，在单元800中这个 施加到输入信号中的初始的固定相移β实际上是一个相位延迟，其由 RC滤波器的器件参数决定。

图4B展示了固定相移模块830的另一种实施方案，其中，900a 中的RC滤波器被替换成含有固定电感911和912、固定电容903和 904、以及降低品质因数的电阻913和914的一个LC谐振腔。这个 LC谐振腔要使得调相调频振荡器总是工作在主LC谐振腔的峰值频 率附近。依照这种实施方案，这个由电路900b提供的固定相移β可 以是正或是负，其由电感911/912和电容903/904的LC乘积是小于 或者是大于图1A中所示的101/102和103/104的LC乘积来决定。 在实施方案900a和900b中，尾部电流源907和917都是可调谐的， 这样可以使得800中经过延迟的电流i₁的幅度更加可控，从而有助 于此调相调频振荡器的相位内插。

图5A描述了具备同步和正交相位(I&Q)的多相位输出振荡器 (PT Q-VCO)的另一种实施方案。差分的调相单元1010a或1010b 将输入的电压信号转换成一个具有可控相移的电流信号，然后后者被 注入到LC谐振腔110中去。包括调相单元和LC谐振腔的各级电路 被连接成一个环形结构，其中包含了一个交叉连接1012。依照此两 级振荡器的实施方案，每一级电路须提供一个π/2+π*M的相移。为 了让振荡器能对称地工作在LC谐振腔110的峰值频率的左右，并且 有一个90度调谐范围，LC谐振腔的相移θ需要在-π/4和π/4之间任 意可调，因此由调相单元1010a和1010b提供的相移需要在-π/4和 -3π/4之间任意可调。

在图5B中描述了调相单元1010a和1010b的实施方案。依照这 个方案，通过引入两个固定的相移，比如β₁＝-π/4和β₂＝-π/2，总电流 i_t的相移可以通过相位内插的方法从-π/4调谐到-3π/4。图5C更进一 步地描述了此相位内插的运算，其中，由晶体管1001和1002提供的 电流i₀，与晶体管1003和1004提供的电流i₁合并在一起，来产生一 个总电流i_t，其相移由β₁、β₂以及电流i₀和i₁的幅度来决定。

在此实施方案中，固定相移β₁和β₂的值取决于调相调频振荡器 的级数，其中β₂决定振荡器的相位调谐范围，β₁提供初始的相移量， 以使得相位调谐的范围能均匀地分布在LC谐振腔110的峰值频率两 旁。举例来说，在此调相调频正交压控振荡器(Q-VCO)中，β₂被设置 为接近-π/2，其可以通过一个二阶的LC谐振腔来实现，β₁被设置为 -π/4，因而电流i_t的相移可以从-π/4调节到-π3/4，一个90度的调谐 范围可以对称地分布在-π/2周围。所以此调相调频Q-VCO可以在具 有最佳LC谐振腔品质因数的区域中工作。固定相移β₁和β₂的电路 实现可以基本上和图4A和4B中所描述的实现方式类似。

图6展示了用0.13微米CMOS技术制成的图1A所示的4级振 荡器(half-Q-VCO)和图5A所示的2级振荡器(Q-VCO)的芯片影像， 其中电路800和900b被集成到了振荡器电路中。在图6中，HQ-VCO 和Q-VCO分别占用了0.36mm²和0.20mm²面积的芯片。当差分控 制的偏置电流从-0.9mA调节到0.9mA时，HQ-VCO可以连续地从 48.6GHz调谐到52GHz，同时从0.8V的电源电压中总计消耗32mW 到48mW的功率。Q-VCO可以连续地从56GHz调谐到61.3GHz，同 时从0.8V的电源电压中总计消耗了30mW到37mW的功率。在3MHz 偏移频率时，HQ-VCO和Q-VCO的相位噪声分别从-110.2dBc/Hz变 化到-116.3dBc/Hz，从-104.8dBc/Hz变化到-110.1dBc/Hz。对于如 图6所示的两个VCO电路，最低的相位噪声都是在VCO工作在中 心频率时测量到的，此时谐振腔的品质因数是最大的。用测量到的在 10MHz偏移频率的-127.8dBc/Hz和-118.5dBc/Hz的相位噪声来计 算，所述的调相调频的4级振荡器和2级振荡器分别在50GHz和 60GHz的频率上取得了-186.4dB和-180.5dB的品质因数(FoM)。

图7展示了依照另外一个实施方案的调相调频LC振荡器1200。 振荡器1200包含了连接成环形的从1210a到1210n的多级电路，其 中每一级电路都有一对差分输入端和一对差分输出端。在环形中一级 的输出端连接到下一级的输入端。从最后一级1210n的输出端到第一 级1210a的输入端的连接被交叉，然而，其他的连接都是直的。从 1210a到1210n的每一级都有一个相位调谐单元(1201a到1201n)，其 在输入和输出信号之间施加一个可控的相移。每一级电路进一步地包 含了一个可以响应于经过相移的输入信号来产生相应的输出信号的 跨导单元(1202a到1202n)，以及一个将所注入的电流转换成输出电 压信号的LC谐振腔(1203a到1203n)。概括地说，在每个LC谐振腔 的输出节点处产生了两个输出信号，输出信号的相位以每级 360*1/2N度地从0度递增到360(2N-1)/2N度，其中N代表了振荡器 的级数。因为每一级所提供的相移是固定的，并且在实际应用中基本 上等于180/N度，因此，通过调相单元来改变施加的相移，可以改变 每一个LC谐振腔的相移，因而相应地改变整个环形振荡器的工作频 率。

图8提供了应用调相调频技术的LC振荡器的另一种实施方案。 和振荡器1200类似，振荡器1300还包含了环状连接的多级电路，其 中最后一级与第一级之间的连接被交叉。依照此实施方案，每一级电 路(例如，1310a)有多个相移单元(例如，1301a1至1301aN)，每个 单元在输入信号与输出信号之间提供了一个固定的相移。每一级还包 含了多个具有可调谐跨导的跨导单元(例如，1302a1至1302aN)， 以及一个LC谐振腔，该LC谐振腔将来自跨导单元的输出电流合并 然后生成这级电路的输出电压。在每级电路中，具有不同的累积相移 的输入电压被加载到不同的跨导单元上。通过控制每个跨导单元(例 如，1302a1～1302aN)的跨导，然后合并所有注入到LC谐振腔的电流， 可以控制输出总电流的相位，因而可以调谐振荡器的工作频率。

在此所有被引用的参考文献(包括出版物、专利申请以及专利) 以引文方式并入此文，如同每一个参考文献都以引文方式被单独和专 门地指出并入并且在此被完整地陈述一样。

在本发明的描述中(特别是在以下的权利要求的叙述中)，除非在 文中被明确地指出或明显与上下文的意思相违背，所有词汇“一”、 “一个”、“此”、“这个”以及类似的字眼都指的是同时包含了单 个和多个。除非被特别地说明，文中所有的词汇“由构成”、“包含”、 “包括”、“有”“拥有”和“具有”应当解释为开放式术语(也就 是说其代表的是“包括，但不限于”的意思)。除非被明确地指出， 文中数值范围的描述仅仅是为了作为一种简便的方法，来单独提出范 围之内的各个数值，并且每一个单独的数值都可以并入说明书中，如 同在此单独陈述一样。除非被明确地指出或明显与上下文的意思相违 背，文中所描述的所有方法或方案都可以按照其他任何恰当的顺序来 描述。除非被明确地要求，在此任意和所有的举例，或者是举例所运 用的词汇(像“比如说”)，仅仅是为了更好地阐明本发明，而不是为 了对这项发明的范围进行任何的限制。在此文的具体说明中，没有任 何的词汇可以理解成对实现发明必不可少的任何未要求的元素。

在此，描述了本发明优选的实施方案，其中包括发明者所知道 的实现本发明的最佳方案。在阅读了以上描述之后，对于所述领域的 技术人员，这些优选实施例的各种变型将变得显然。发明者希望所述 领域的技术人员可以适当地使用这些变型，并且发明者想要本发明在 实际应用中实现而不局限于文中的描述。相应地，正如适用的法律所 允许的那样，本发明包括在以下附加的权利要求中陈述的主题的所有 变型和实质等效的内容。此外，除非被明确地指出或明显与上下文的 意思相违背，在所有可能的变化之中的，以上所描述的基本要素的各 种组合都在本发明的范围之内。