专利名称：电压控制振荡器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电压控制振荡器以及一种操作电压控制振荡
器的方法，更具体地，涉及一种电压控制振荡器以及将正交LC电 压控制振荡器的I内核和Q内核强制在相同的共模电平的方法。
背景技术：
许多通信系统在混频时都需要正交时钟信号以实现镜像抑制。 典型地，可以使用图1中所示的以及下文中更为详细地描述的两个
相同的电压控制振荡器(vco)来产生正交时钟信号。正交时钟信
号必须具有精确的90度相移，否则该相位关系中的任何误差都会 导致输出数据中的误差。
一种已知的用于将两个相同的电压控制振荡器锁定为90度相 移(即，为了实现正交)的方法是"交叉耦合"技术，该技术由 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。
这个观点由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寻以进一步改进。这篇论文中描述的vco内核被用作本发明中vco的基础， 不过我们应理解，本发明还可以使用其他类型的vco。
图2是根据上述Chao-Shiun Wang的参考文献的第一 VCO内 核4和第二 VCO内核6的连接的示意图。这里不再详细讨论每个 VCO内核4、 6的连接。详细内容可以在上面提到的原始的 Chao-Shium Wang参考文献中找到，其全部内容结合于此作为参考。
配置用于产生I信号的第一VC0 4包括如图所示连接的电感器 41和可变电容器42。应注意，例如，可以4吏用才莫拟电压或lt字选 择来电压控制可变电容器。配置用于产生Q信号的第二 VCO 6除 输入和输出之外与第一 VCO 4相同，并且还具有电感器61和可变 电容器62。如上所述，例如，可以使用模拟电压或数字选择来电压 控制可变电容器。
交叉耦合至VCO内核4、 6 (见图1和图2)的串联装置的操 作使第一VCO内核4和第二VCO内核6以90度相位差工作。通 过开关装置以及内核中的电流(由自动增益控制环控制并由偏置器 件的匹配所影响)确定每个VCO内核中的共才莫电平。在理想的仿 真^)犬态下，匹配是完美的，并且I内核和Q内核工作在相同的共才莫 电平下。然而， 一旦引入实际的失配特性，共模电平就会偏离，这 会带来导致相位差的结果。
在共才莫电平上的I和Q匹配的相依性(dependence)不会总是 寻皮7见测到，因为有时会l吏用每个内核中两个分离的电感器来i殳计正 交VCO，其中，两个电感器的各自 一端均连4妄至正才及供电线 (positive supply rail)或4妄i也。在^Vang的电3各的情况下，不可能 使用这种结构。这是因为Wang的电路中在LC槽(tank)的上方和 下方均需要开关装置。使用两个分离的具有接地或与电源连接的内 核电感器会导致共^t电平被强制在这个电压上，并且阻碍了开关装置的正确工作。鉴于这种限制，对共模电平的敏感度在Wang的电 ^各中就成为更重要的问题了 。
还有备选的方案。例如，可以通过提高偏置电路和开关装置中 的匹配来减小装置失配的影响。然而，这是通过增大装置尺寸来实 现的。这反而造成了增加芯片面积的缺点，更重要地，这增加了 VCO内核中的寄生电容负载。这在诸如超宽带的高速通信系统中是 非常关4建的，因为它限制了 VCO的最大"^展荡频率，并且由此限制 了收发器的最大工作频率。因此，这种方案不可能应用于超宽带系 统(其工作频率需要在8.5GHz或更高)的VCO中。
共才莫反馈还可以用来l奮正共才莫电平中的差。然而，这种方案所 需的有源电路(active circuitry )耗费电能、面积和设计工作。共模 反馈还具有产生附加噪声源的缺点，这在诸如具有4艮紧密的相位噪 声需求(phase noise requirement)的超宽带系统中是个难题。
因此，本发明的目的是提供一种电压控制振荡器以及操作电压 控制振荡器的方法，其可以避免上述缺陷。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种电压控制振荡器，包括第 一电压控制振荡器内核和第二电压控制振荡器内核，用于分别产生 I正交分量和Q正交分量。每个电压控制振荡器内核均包括电感器。 连接部件被电耦合至每个电感器。
根据本发明的第二方面，提供了 一种用于强制电压控制振荡器 中的共模电平的方法，该电压控制振荡器包括第 一 电压控制振荡器 内核和第二电压控制振荡器内核，用于分别产生I正交分量和Q正
7交分量，每个内核均包4舌电感器。该方法包4舌如下步骤利用连4妄 部件将电感器电耦合在 一起。
本发明具有4是供了一种保i正在交叉耦合的VCO的I内核和Q 内核中使用相同共模电平的简单方法的优点，并且降低了 VCO对 装置失配影响的敏感度。这种提高了的稳固性对于依靠I信道和Q 信道间的精确相位差的通信系统来说是很关键的。当在诸如130 nm CMOS的小型几何处理中进行设计时，这些问题变得更为显著，因 为越小的装置尺寸通常会导致越大的失配。
根据本发明的另 一个方面，提供了 一种用于辅助电压控制振荡 器的启动的方法，该电压控制振荡器包括第 一电压控制振荡器内核 和第二电压控制振荡器内核，用于分别产生I正交分量和Q正交分 量，每个内核包括电感器。该方法包括如下步骤利用连4妄部件电 耦合电感器，以辅助电压控制振荡器的启动。
因此，本发明还具有克服潜在的启动问题(接下来将详细4又述) 的伊乙点。
为了更好的理解本发明，并且更为清楚地展示它是如何实现 的，将仅以例子的方式对下述附图进行参照。
图1是用于产生正交输出的VCO的示意性框图2是用于图1的VCO中的两个VCO内核的电^各图3是根据本发明的具有连接部件的两个VCO内核的电路图4是根据本发明的连接部件的物理实现的代表图；图5a和5b是示出了连接部件和电感器可以如何连接的备选实 例的示意图。
具体实施例方式
图l是示出了正交VCO 2的结构和连接性的示意性框图。正 交VCO 2具有分别产生I和Q正交输出的第一 VCO内核4和第二 VCO内核6。第一 VCO内核4和第二VCO内核6本身将在下述图 2和图3中更为详尽地描述。
自动增益控制块8向第一VCO内核4和第二VCO内核6才是供 电流。'T， VCO内核4产生输出信号Iout+和Iout-。这些输出信号 作为输入信号#皮#是供至第二 VCO内核6 ( "Q"内核)，其中Iout十 被提供至第二 VCO内核6的正极输入端"in+",而Iout-被提供至 第二VCO内核6(即，Q内核)的负极输入端"in-"。之后Q VCO 内冲亥6产生丰叙出^言号Qout+和Qout-。
输出信号Qout+和Qout-进一步作为输入^是供至第一 VCO内核 4 (即，I VCO )用于产生信号Iout+和Iout-，从而形成反馈通路。 然而，Q VCO的输出在被反馈给I VCO内核4的时候被翻转，这 是由于Qout+被提供至I VCO内核4的in-输入端，且Qout-被提供 至I VCO内核4的in+输入端。
一寻全部的四个專命出(Qout+， Qout-, Iout+, Iout-)丰lr入至用于相 应地调整供^合至两个内核4、 6的电流的自动增益控制块8。自动增 益控制块8形成振幅控制环的一部分，该环用来调节最佳的信号摆 幅(signal swing )。
还;)夸四个丰命出(lout+, 1out-,Qout+, Qout-)分别作为I和Q的正 交输出而从VCO 2输出。
9图2是才艮据上述Chao-Shiun Wang的参考文献的VCO内核4、 6的电^各图。
这里不再详细讨论VCO内核4、 6中每一个的连接。详细内容 可以在上面^是到的原始的Chao-Shium Wang参考文献中找到，其全 部内容结合于此作为参考。
I VCO 4包括如图所示连接的电感器41和可变电容器42。除 了输入和输出被反转之外，QVC06与IVC04相同。换句话说， I VCO 4具有Qout-和Qout+作为llT入以及Iout-和Iout+作为llr出， 而Q VCO 6具有Iout-和1out+作为llT入以及Qout-和Qout+作为车lr 出。Q VC0 6具有电感器61和可变电容器62。
I VCO 4还包4舌六个津禺合装置43、 44、 45、 46、 47和48,其 中耦合装置43和44以及47和48形成交叉耦合对。该交叉耦合对 如负阻抗^殳工作。
QVC0 6还包括六个耦合装置63、 64、 65、 66、 67和68,其 中耦合装置63和64以及67和68形成交叉耦合对。
交叉耦合至VCO内核4、 6 (见图1和图2)的串联装置的操 作4吏VCO内核以90度的相位差工作。
如上所述，通过开关装置以及内核中的电流(由自动增益控制 环控制并由偏置器件的匹配所影响)确定每个VCO内核中的共模 电平。在理想的仿真状态下，匹配是完美的，并且I内核和Q内核 工作在相同的共模电平下。然而， 一旦引入实际的失配特性，共模 电平就会偏离，而结果4皮一见为相4立差。才艮据本发明的解决方案利用存在于每个电感器41、 61中点的 "虚拟接地"点。这个中点应该视为没有直流(DC)电流，并且能 被用于连接内核内的直流电平。
图3示出了本发明的一个示例性实施例。在该图中提供了一对 对应于图2所示的内核的VCO内核4、 6。才艮据本发明，配置连4妄 部件70用于将电感器41、 61连接至一起。优选地，连接部件70 具有金属轨(metal track)的形态。宽而厚的金属轨使该连接具有 才及4氐的阻抗。
图4是根据本发明的电感器结构和中间接线(centre tap)连接 部件的物理实现的^f戈表图。
优选地，电感器41、 61是如图5a的示意图所示的对称电感器， 并且连接部件70被配置为将电感器41、 61的中心或中点连接在一起。
可选地，如图5b所示，每个电感器41、 61均可包含两个分离 的电感器元件41a和41b,以及61a和61b。在这种配置中，连接 部件70分别连接到连接有第一电感器元件41a、 41b的节点以及连 4妄有第二电感器元^牛61a、 61b的节点。也应理解，包含图5a和图 5b混合形式的实施例也是可行的，其中电感器41、 61中的一个包 含对称电感器，而电感器41、 61中另一个包含第一和第二电感器 元件41a/41b或61a/61b。
多种电路配置的仿真表明，连接部件70使装置失配的敏感度 显著降低。如上所述，在启动时也观测到了优点，此时共享共模有 助于降低不必要的启动状态的可能性，例如，在该状态中一个VCO 具有高共模，而另一个VCO具有低共模。这种状态会延长启动时 的设置时间，因为例如I VCO 4中的低共模会把极低的过度激励(overdrive )提供给Q VCO 6的串耳关装置。这会使降寸氐Q VCO 6 的高共模电平变得更困难，并由此向I VCO串联装置提供高过度激 励，使I VCO 4的共模电平保持得很低。
尽管示出了关于正交VCO的发明，通过^f奮正共才莫电平的差来 才是高I和Q匹配的方法还可以:故用于诸如其它LC VCO、正交分配 器或正交1￡冲器(quadrature buffering )的其它电^各中。
本发明具有l是供一种4呆i正在交叉津禺合VCO的I内核和Q内核 中使用相同的共模电平的简单方法的优点。本发明对于诸如用于超 高频系统的高频特别有优势，此时其它的共才莫^务正方法会有降4氐工 作频率的不期望获得的效果。
需要指出的是，上述实施例是举例说明而非限制本发明，本领 域的技术人员能够在不偏离所附的权利要求的范围的情况下设计 许多备选的实施例。词语"包括"不排除权利要求中所列的元件或 步骤以外的元件或步骤的存在，"一个(a)"或"一个(an)"不排
中所述的几个单元的功能。权利要求中的任何参考符号不应被理解 为限制它们的范围。
权利要求
1.一种电压控制振荡器，包括第一电压控制振荡器内核和第二电压控制振荡器内核，用于分别产生I正交分量和Q正交分量，每个所述电压控制振荡器内核均包括电感器；以及连接部件，电耦合至每个所述电感器。
2. 根据权利要求1所述的电压控制振荡器，其中，至少一个所述电感器是对称电感器，并且所述连接部件耦合至所述至少一个电感器的中点。
3. 根据权利要求1或2所述的电压控制振荡器，其中，至少一个所述电感器包括第一电感器元件和第二电感器元件，并且所述连接部件连接至连接所述第一电感器元件和所述第二电感器元件的节点。
4. 根据权利要求1至3中的任一项所述的电压控制振荡器，其中，所述连4妄部件具有^f氐电阻。
5. 根据权利要求4所述的电压控制振荡器，其中，所述连接部件包括金属轨。
6. 根据上述权利要求中的任一项所述的电压控制振荡器，其中，所述电压控制振荡器是LC电压控制振荡器。
7. —种超宽带装置，包括根据权利要求1至6中的任一项所述的电压控制振荡器。
8. —种用于强制电压控制振荡器中的共模电平的方法，所述电压控制振荡器包括第一电压控制振荡器内核和第二电压控制振荡器内核，用于分别产生I正交分量和Q正交分量，每个内核均包括电感器；所述方法包括利用连接部件将所述电感器电耦合在一起。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中，至少一个所述电感器是对称电感器，并且所述方法还包括将所述连接部件连接至所述至少 一个电感器的中点的步艰纟。
10. 根据权利要求8或9所述的方法，其中，至少一个所述电感器包括第一电感器元件和第二电感器元件，并且所述方法还包括将所述连接部件连接至连接所述第一电感器元件和所述第二电感器元件的节点的步骤。
11. 4艮据卄又利要求8至10中的任一项所述的方法，其中，所述连接部件具有4氐电阻。
12. 根据权利要求11所述的方法，其中，所述连接部件包括金属轨。
13. 根据权利要求8至12中的任一项所述的方法，其中，所述电压控制振荡器是LC电压控制振荡器。
14. 一种用于辅助电压控制振荡器的启动的方法，所述电压控制振荡器包括第一电压控制振荡器内核和第二电压控制振荡器内核，用于分别产生I正交分量和Q正交分量，每个内核包括电感器；所述方法包括利用连接部件电耦合所述电感器，以辅助所述电压控制振荡器的启动。
全文摘要
本发明涉及一种电压控制振荡器，它包括第一电压控制振荡器内核和第二电压控制振荡器内核，用于分别产生I正交分量和Q正交分量。每个电压控制振荡器内核包括电感器。连接部件电耦合至每个电感器，从而将VCO的I内核和Q内核强制到相同的共模电平。本发明具有提供一种保证在交叉耦合VCO的I内核和Q内核中使用相同共模电平的简单方法的优点，特别是在高工作频率上具有优势。本发明还具有克服潜在的启动问题的优点，并且减少了对于装置失配影响的敏感度。当在诸如130nm CMOS的小型几何处理中进行设计时，这些问题变得更显著，因为越小的装置尺寸经常导致越大的失配。
文档编号H03B5/06GK101517888SQ200780035285
公开日2009年8月26日 申请日期2007年9月10日 优先权日2006年9月21日
发明者戴维·威尔逊 申请人:Iti苏格兰有限公司