开关电感器装置和振荡器装置的制作方法

本发明涉及电学技术领域，尤其涉及一种开关电感器装置和振荡器装置。

背景技术：

通常而言，对于传统振荡器设备的lc(inductor-capacitor，电感器-电容器)谐振电路，提高这种lc谐振电路(lctank)的整个质量因子的数值可以降低相位噪声和功耗。lc谐振电路的质量因子取决于lc谐振电路内电感器和电容器的质量因子。对于低频振荡设备，传统方案通常是调谐/调整lc谐振电路的电容器，因为电感器的质量因子支配lc谐振电路的整个质量因子，并且调谐/调整电感器可能降低该质量因子。然而，对于高频振荡设备，调谐电容器变得不合适，因为电容器的质量因子将主导整个质量因子，并且调谐/调整电容器可能降低高频振荡器设备的质量因子。因此，对于高频振荡器设备，传统方案可以采用多个电路架构，例如基于变压器的电感调谐电路和基于串联的电感调谐电路，以执行电感调谐。

不可避免地，上述电感调谐电路不能提供具有显著变化范围的不同电感，以及不能将电感应质量值的数值维持或保持在较高值。这是因为对于传统的电路架构，在mos(metal-oxide-semiconductor，金属-氧化物-半导体)晶体管开关的导通电阻和由mos晶体管开关引起的寄生电容之间存在折衷。导通电阻可以设计得更小，但寄生电容会变大，从而损害质量因子。此外，如果导通电阻变大，则导通电阻也会损坏质量因子。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种开关电感器装置和振荡器装置，可以具有显著变化范围的不同电感。

根据本发明的第一方面，公开一种开关电感器装置，具有第一端口和第二端口，包括：

第一电感器，耦合在所述第一端口和所述第二端口之间；以及

第二电感器以及与所述第二电感器串联连接的开关电路，耦合在所述第一端口和所述第二端口之间；

其中，当所述开关电路接通时，所述第一电感器和所述第二电感器并联连接。

根据本发明的第二方面，公开一种振荡器装置，包括：

电感电容谐振电路，包括：

如上述任一所述的开关电感器装置；以及

电容器阵列，耦合到所述开关电感器装置。

本发明提供的开关电感器装置由于包括：第一电感器，耦合在所述第一端口和所述第二端口之间；以及第二电感器以及与所述第二电感器串联连接的开关电路，耦合在所述第一端口和所述第二端口之间；其中，当所述开关电路接通时，所述第一电感器和所述第二电感器并联连接。采用这种方式，当开关电路导通时，所述开关电感器装置提供的电感值为第一电感器与第二电感器并联后的电感值；当开关电路断开时，所述开关电感器装置提供的电感值为第一电感器的电感值；因此本发明中的开关电感器装置可以根据不同的需求来提供不同的电感值，电感值具有显著的变化范围。

附图说明

图1是根据本发明实施例的基于并行(parallel-based)的开关电感器装置的简化图。

图2是示出如图1所示的电感器装置的等效电路的示图。

图3是根据本发明第一实施例的图1的电感器装置的实施布局的示图。

图4是根据本发明第二实施例的图1的电感器装置的实施布局的示图。

图5是根据本发明第三实施例的图1的电感器装置的实施布局的示图。

图6是示出根据本发明实施例的具有图1的开关电感器装置的高频vco(voltagecontrolledoscillator，电压控制振荡器)设备的应用示例的示图。

具体实施方式

在说明书和随后的权利要求书中始终使用特定术语来指代特定组件。正如本领域技术人员所认识到的，制造商可以用不同的名称指代组件。本文件无意于区分那些名称不同但功能相同的组件。在以下的说明书和权利要求中，术语“包括”和“包括”被用于开放式类型，因此应当被解释为意味着“包括，但不限于...”。此外，术语“耦合”旨在表示间接或直接的电连接。因此，如果一个设备耦合到另一设备，则该连接可以是直接电连接，或者经由其它设备和连接的间接电连接。

以下描述是实施本发明的最佳设想方式。这一描述是为了说明本发明的一般原理而不是用来限制的本发明。本发明的范围通过所附权利要求书来确定。

下面将参考特定实施例并且参考某些附图来描述本发明，但是本发明不限于此，并且仅由权利要求限制。所描述的附图仅是示意性的而并非限制性的。在附图中，为了说明的目的，一些元件的尺寸可能被夸大，而不是按比例绘制。在本发明的实践中，尺寸和相对尺寸不对应于实际尺寸。

图1是根据本发明实施例的基于并行的开关电感器装置100的简化图。电感器装置100包括第一端口(port)p1，例如输入端口(但不限于此)，以及第二端口p2，例如输出端口(但不限于此)。基于并行意味着开关电感器装置100控制至少两个电感器并联连接，以在电感器装置100以特定模式操作时提供特定电感。

电感器装置100是开关电感器，能够在不同模式下提供不同的电感。例如，基于特定设计(但不限于此)，电感器装置100可以布置为在两种不同模式中选择性地提供120ph(picothenry，皮亨；其中1ph＝1*10-12h)和170ph的不同电感的电感，同时相应的质量因子的数值在这些不同的模式中，几乎可以保持不变或只是略有变化。例如，在上面的示例中，相应质量因子的数值可以仅在18到16之间变化。例如，质量因子可以通过q＝ωl/rs来计算，其中q为质量因子，ω为vco的振荡频率，l为电感值，rs为寄生电阻。也即在这样的示例中，电感器装置100可以提供具有高于百分之三十的电感变化范围的不同电感(例如120ph到170ph)，以及维持或保持相应质量因子的变化范围低于百分之十(例如18到16)。与传统方案相比，电感器装置100具有显著改进的性能。另外，应该注意的是，电感值和变化范围的示例不是限制性的。在其他示例中，电感器装置100可以布置成提供不同的电感(值)。

对于应用，开关电感器100例如特别适合于高频vco(电压控制振荡器)电路，其中开关电感器100与电容器装置/阵列一起使用以形成电感器-电容器(lc)谐振电路。通常，对于高频vco，例如，当电容器装置工作在20ghz以上(但不限于此)时，电容器装置可配置有几乎恒定或几乎固定的电容。但是，这不是限制。图6是示出根据本发明实施例的具有图1的开关电感器装置100的高频vco设备600的应用示例的示图。高频vco设备600包括lc谐振电路601和vco核心电路602，核心电路602例如包括交叉耦合的晶体管对(但不限于此)。lc谐振电路601包括电容器阵列605和开关电感器装置100。在这种应用中，开关电感器装置100可以布置为在不同的操作模式中提供不同的电感，使得高频vco设备600可以精确地锁定并产生振荡频率。开关电感器装置100的操作和功能在以下段落中详述；其中，高频vco设备600可以包括以下任意一个或多个示例的开关电感器装置100(例如图2，图3，图4，图5所示的示例)。此外，本发明中的开关电感器装置100可以应用与集成电路中，例如应用在芯片的电路中，或者集成在晶粒中。通常电感器会占用较大的面积，而例如晶粒等面积较小，受限于晶粒的尺寸，通常在晶粒上会尽量减少电感的布置，避免使晶粒面积过大。本发明中突破常规思维将第一电感器和第二电感器并联设置，使电感器装置可以具有不同的电感值。同时本发明中并联设置还可以寄生电阻在较小的范围内变化，从而使电感器装置的质量因子的变化较小，质量因子的数值维持在较高数值。此外，本发明中第一电感器和第二电感器可以使用内外镶嵌的结构，以减小占用面积。

参考图1。电感器装置100包括第一电感器105，第二电感器106和开关电路110。第一电感器105耦合在第一端口p1和第二端口p2之间。第二电感器106和开关电路110串联连接，并且两者都耦合在第一端口p1和第二端口p2之间。例如，在图1中，第二电感器106耦合在第一端口p1和开关电路110之间，并且开关电路110耦合在第二电感器106和第二端口p2之间。但是，这并不意味着对本发明的限制。在其他实施例中，第二电感器106可以耦合在第二端口p2和开关电路110之间，并且开关电路110耦合在第二电感器106和第一端口p1之间；也就是说，第二电感器106和开关电路110的电路位置可以交换。另外，在一个实施例中，第二电感器106可以配置为具有第一部分和第二部分，并且开关电路110布置或移位在第一部分和第二部分之间。这些修改都属于本发明的范围。

另外，开关电路110例如通过使用mos晶体管来实现。为了操作，当开关电路110(即mos晶体管)导通时，第一电感器105和第二电感器106并联连接。另外，当开关电路110断开时，第一电感器105和第二电感器106不并联连接。也就是说，在导通模式(开关电路110导通)中，由于第一电感器105和第二电感器106并联连接，因此在第一端口p1处发生的信号电流布置为穿过第一电感器105和第二电感器106两者。例如，如果第一电感器和第二电感器的电感(值)设计为相等，则电感器装置100布置成为信号电流提供第一电感器105或第二电感器106的电感(值)的一半。相反，在断开模式(开关电路110断开)中，在第一端口p1处出现的信号电流布置为仅通过第一电感器105，因为第二电感器106等效地与第二端口p2断开。因此，电感器装置100布置成为信号电流提供第一电感器105的电感(值)。通过这种方式，电感器装置100可以提供具有显著变化范围的不同电感。

图2是示出如图1所示的电感器装置100的等效电路的示图。如图2的上半部分所示，第一电感器105可以通过使用两个串联电感器来实现，每个电感器具有0.5l1的电感以及具有0.5rs1寄生电阻，其中l1表示第一电感器105的电感，rs1表示第一电感器105的寄生电阻。第二电感器106可以通过使用两个串联电感器来实现，每个电感器具有0.5l2的电感以及具有0.5rs2的寄生电阻，其中l2表示第二电感器106的电感，rs2表示第二电感器106的寄生电阻，而表示开关电路110的开关sw设置在两个寄生电阻0.5rs2之间。另外，如图2的下半部分所示，示出了从第一端口p1处的差分输入信号看到的等效电路阻抗zin。ron表示mos晶体管导通时由mos晶体管实现的开关电路110的寄生电阻，coff表示mos晶体管截止时mos晶体管(开关电路110)的寄生电容。sw表示开关，当mos晶体管导通时该开关闭合，当该晶体管截止时开关断开。例如，如果电感器装置100用于高频vco，则可以假设寄生电阻ron远小于其中ω与高频vco的振荡频率相关联(即ω为高频vco的振荡频率)，并且寄生电阻ron远大于寄生电阻rs1和rs2。例如，寄生电阻ron(例如10ω(欧姆))，可以是寄生电阻rs1和rs2每一个(例如1ω-2ω)的多倍。但是，这并非对本案发明的限制。当开关电路110接通时由电感器装置100提供的电感lon可以用以下等式表示：

从第一端口p1看，电感器装置100的阻抗/电阻zin可以用以下等式表示：

在一个示例中，如果第一电感器105的电感l1设计为等于第二电感器106的电感l2，则在这种情况下，电感器装置100的电感(例如lon)等于电感l1的一半，以及电感器装置100的寄生电阻(例如zin)等于寄生电阻ron的四分之一(ron的25％)。例如，如果寄生电阻ron是10ω，则电感器装置100的寄生电阻可以等于2.5ω，这几乎等于寄生电阻rs1和rs2(中的每一个)。

相反，当开关电路110断开时，当开关电路110断开时由电感器装置100提供的电感loff可以用以下等式表示：loff＝l1

假如说当开关电路110断开时，从第一端口p1看到的电感器装置100的阻抗/电阻zin可以用下面的等式表示：

zin＝rs1

也就是说，结合图1所示，当开关电路110导通时，电感器装置100提供的电感(值)为l1*l2/(l1+l2)；当开关电路110断开时，电感器装置100提供的电感(值)为l1；因此电感器装置100提供的电感(值)的变化范围可以在l1*l2/(l1+l2)到l1之间变化。如果l1＝l2，则电感器装置100提供的电感(值)的变化范围可以在l1/2到l1之间变化。也即在不同的开关模式中，电感器装置100可以布置成在百分之五十的显著变化范围内提供不同的电感，以及将寄生电阻/阻抗保持并保持在较小的值，例如1ω-2ω，即几乎是电感器的一般寄生电阻(寄生电阻rs1或rs2)。例如如上所述的，当开关电路110接通时，电感器装置100的寄生电阻(例如zin)等于当开关电路110断开时，电感器装置100的寄生电阻(例如zin)等于rs1；因此电感器装置100的寄生电阻(例如zin)可以在到rs1之间。如果l1＝l2，则电感器装置100的寄生电阻(例如zin)可以在ron/4到rs1之间。也即电感器装置100的寄生电阻在较小的范围内变化。因此，无论何时开关电路110的mos晶体管导通或截止，电感器装置100的质量因子的数值都维持或保持在特定的较大值。

图3是根据本发明第一实施例的图1的电感器装置100的实施布局的示图。例如，第一电感器105和第二电感器106可以通过使用诸如金属层/迹线处的布线的线圈来实现。实际上，第二电感器106通过使用包括第一部分和第二部分的线圈来实现。例如，这种线圈通过使用布线来实现，并且第一部分是第一部分布线，而第二部分是第二部分布线。开关电路110配置在第一部分布线和第二部分布线之间。图3所示实施例可以减小电感器装置100占用的面积。

如图3所示，第一电感器105(如图1所示)例如由外部布线305(但不限于)实现，该外部布线305配置/设置在诸如顶部金属层/迹线的第一金属层/迹在线，并且第二电感器106例如由内部布线(306a/306b)来实现，该内部布线(306a/306b)配置/设置在诸如底部金属层/迹线的第二金属层/迹在线。也就是说，第一电感器105和第二电感器106的布线可以设置在不同的金属层上，这可以有效地减小所需的电路晶粒(die)尺寸，并减小相互之间干扰，例如减少寄生电容等。但是，这并不意味着对本发明的限制，例如也可以设置在同一层级中。在其他实施例中，第一电感器105可以通过使用内部布线来实现，第二电感器106可以通过使用外部布线来实现。此外，第一电感器105可以移位至或设置在底部金属层上，第二电感器106可以移位至在顶部金属层上。这些修改都属于本发明的范围。此外，外部布线305的尺寸可以大于内部布线(306a和306b)的尺寸，具体来说，外部布线305可以包围或围绕内部布线(306a和306b)。例如外部布线305的周长大于内部布线(306a和306b)的周长，或者外部布线305的外接圆的直径大于内部布线(306a和306b)的外接圆的直径等。

另外，第一电感器105的布线305的形状在图3中是八边形(尚未完全封闭)。然而，这不是限制性的。第一电感器105的布线305的形状可以是其他形状(尚未完全封闭)，例如多边形(例如五边形，六边形)或圆形。另外，如果开关电路110接通，则由第一部分布线306a和第二部分布线306b形成的内部布线的形状可以视为八边形(尚未完全封闭)，并且在其他示例中可以是诸如多边形或圆形的其他形状。

另外，图3中的内部布线和外部布线中的每一个包括单圈一条迹线/布线。在其他实施例中，内部布线和外部布线中的每一个可以通过使用两圈或更多圈迹线/布线来实现。也就是说，每一个布线可以是螺旋布线。所有修改都落入本发明的范围内。

另外，例如，第一电感器105的布线305的材料可以与第二电感器106的布线(306a/306b)的材料不同。可以通过采用具有不同金属类型的材料来实现不同的布线。当然，布线305的材料也可以与布线306a/306b的材料相同。

另外，第一部分布线306a的总长度可以配置为等效于(等于)第二部分布线306b的总长度；这样方便制造，并且对称的结构减少信号之间的差异，例如时间差等。但是，这并不意味着限制。在一个实施例中，第一部分布线306a的总长度可以比第二部分布线306b的总长度更长或更短。在这样的示例中，开关电路110的布局位置配置为与图3所示的布局位置不同。

图4是根据本发明的第二实施例的图1的电感器装置100的实现布局的示图，其中开关电路110的布局位置使第一部分布线306a的总长度比第二部分布线306b的总长度更长，这样可以根据不同的需求进行设置，满足各种场景的要求。

此外，在其他实施例中，如果外部布线和内部布线设置在相同的金属层/迹在线，则外部布线可以设置为围绕内部布线。

此外，在其他实施例中，在垂直方向视图(例如俯视图)中，在第一金属层/迹线处的第一电感器105的布线可以配置为与在第二金属层/迹线处与的第二电感器106的布线至少部分地重叠，其中第二金属层/迹线不同于第一金属层/迹线的层/迹线。例如，垂直方向视图(例如俯视图)，顶部金属层处的布线可以与底部金属层处的布线的至少部分地重叠。这些修改也符合本发明的精神。

实际上，在图3中，第一电感器105的外部布线305具有耦合到第一端口p1的第一端3051和耦合到第二端口p2的第二端3052。第一部分布线306a具有耦合到第一端口p1的第一端3061a和耦合到开关电路110的第二端3062a。第二部分布线306b具有耦合到第二端口p2的第一端3061b和耦合到开关电路110的第二端3062b。开关电路110设置或移位在第一部分布线306a和第二部分布线306b之间。在垂直方向上，外部布线305的第一端3051可以在第一端口p1处与内部布线的第一部分布线306a的第一端3061a部分地重叠。在垂直方向上，外部布线305的第二端3052可以在第一端口p2处与内部布线的第二部分布线306b的第一端3061b部分地重叠。开关电路110的mos晶体管由点表示，并且可以在相同的金属层或不同的金属层中实现。

当/如果开关电路110接通时，第一部分布线306a经由导通的开关电路110连接到第二部分布线306b，以形成第二电感器106的完整布线。当/如果当开关电路110断开时，第一部分布线306a和第二部分布线306b的第二端3062a和3062b都处于开路状态。第一部分布线306a和第二部分布线306b断开。当/如果mos晶体管截止(断开)时，第二电感器106的第一部分和第二电感器106的第二部分断开，并且信号电流布置成流过第一电感器105。在这种情况下，从第一端口p1看，仅有第一电感器105的电感和寄生电阻。当/如果mos晶体管导通时，第二电感器106的第一部分和第二电感器106的第二部分经由mos晶体管连接，并且信号电流布置为流过第一电感器105和第二电感器106两者。等效地，当开关电路110(即mos晶体管)导通时，第二电感器106的第一部分和第二电感器106的第二部分串联连接。另外，第一电感器105和第二电感器106并联耦合。

另外，在其他实施例中，第一电感器105和第二电感器106中的一个的布线可以配置为不包围另一个电感器的布线。图5是根据本发明第三实施例的图1的电感器装置100的实现布局图。如图5所示，第一电感器105的布线505和第二电感器106的布线(506a/506b)设置在相同的金属层/迹在线。第一电感器105(如图1所示)的布线505具有耦合到第一端口p1的第一端505a和耦合到第二端口p2的第二端505b。第二电感器106(如图1所示)的布线包括第一部分布线506a和第二部分布线506b。第一部分布线506a具有耦合到第一端口p1的第一端5061a和耦合到开关电路110(由点表示)的第二端5062a。第二部分布线506b具有耦合到第二端口p2的第一端5061b和耦合到开关电路110的第二端5062b。开关电路110配置在第一部分布线506a和第二部分布线506b之间。第一部分布线506a的第一端5061a连接到布线505的第一端505a，并且可以不与第一电感器105的布线505的第一端505a重叠，并且第二部分布线506b的第一端5061b是连接到布线505的第二端505b，并且可以不与第一电感器105的布线的第二端505b重叠；但是，这并不意味着对本发明的限制。另外，第一电感器105的布线505的形状在图5中是八边形(尚未完全封闭)，并且可以是诸如多边形或圆形的其他形状(尚未完全封闭)。另外，如果开关电路110接通，则由第一部分布线506a和第二部分布线506b形成的布线的形状可以视为八边形(尚未完全封闭)，并且在其他示例中可以是诸如多边形或圆形的其他形状(尚未完全封闭)。另外，图5中的布线505和布线(506a/506b)中的每一个包括单圈一条迹线/布线。在其他实施例中，每个布线可以通过使用两圈或更多圈迹线/布线来实现。每个布线可以是螺旋布线。图5所示的示例中可以减少第一电感器与第二电感器之间的干扰，例如减少寄生电容等。布线505和布线(506a和506b)的尺寸可以相同或不同，例如布线505和布线(506a和506b)的形状大小均相同(除了第一部分布线506a和第二部分布线506b之间设有开关电路)，当然也可以形状和/或大小不同。

在先前技术中，存在使用电感器串联的以增加电感值变化范围的方式，然而这种方式使得电感器装置的质量因子变化较大，即质量因子不稳定，并且串联的方式使得寄生电阻更大。而本发明中突破常规思维将第一电感器和第二电感器并联设置，使电感器装置可以具有不同的电感值。同时本发明中并联设置还可以使电感器装置的质量因子的变化较小，质量因子的数值维持在较高数值。此外，本发明中第一电感器和第二电感器可以使用内外镶嵌的结构，以减小占用面积。

本领域的技术人员将容易地观察到，在保持本发明教导的同时，可以做出许多该装置和方法的修改和改变。因此，上述公开内容应被解释为仅由所附权利要求书的界限和范围所限制。