专利名称：低噪声振荡器的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及压控振荡器。公开了一种采用电感耦合的相位同步的多LC(电感电容)储能振荡器。
背景技术：
LC储能振荡器已用于通信系统，具体说是用于为微波或射频装置产生高频LO(本地振荡器)信号。LC储能电路包括配置为以有限频率在电容和电感之间交换电流或电压而进行振荡的电感和电容。因为电感和电容中的小电阻往往会使振荡器中的能量消耗，故LC储能器会损失能量并最终停止振荡。通常由振荡器中所包括的有源器件产生的负阻对电阻导致的能量消耗进行补偿而维持振荡。但是，即便通过有源器件以这种方式补偿电阻，电阻仍然会通过影响振荡幅度、相位噪声和振荡纯度(即振荡是否具有纯粹的正弦波形)使振荡质量下降。振荡质量的一个量度称为“品质因数”。品质因数定义为每振荡周期LC储能器中所存能量与电阻能耗之比。
因此，希望LC储能振荡器中所用的电感具有最小的电阻。不幸的是，片上电感通常具有高电阻。通常会因衬底电阻和片上电感中所用金属的欧姆电阻而导致低品质振荡。因此，使用片上电感的振荡器的相位噪声性能不佳，通常不适用于高品质的无线设备，如蜂窝电话或卫星通信设备。
噪声引入级联振荡器的途径之一是通过电线和开关，开关包括在振荡器之间耦合振荡器并引起同步振荡的电连接。如果可以减少这种噪声将会非常有用。
所需的是这样一种振荡器设计，它可以使片上电感能够用于所述高品质的无线设备。
发明概述本发明公开了一种相位同步的多LC储能振荡器。该相位同步的多LC储能振荡器包括至少两个配置为以同步方式振荡的振荡器。在一个实施例中，相位同步的多LC储能振荡器包括一组四个配置为以同步方式振荡的振荡器。因为是以同步方式振荡，所以作为同步振荡器部件的对应的电感中的磁通是对齐的。因此，对应的电感可以物理上配置为互相感应。
应理解，本发明可以许多种方式来实现，包括作为过程、装置、系统、方法或计算机可读介质如计算机可读存储介质或其中通过光或电通信链路发送程序指令的计算机网络来实现。如下将描述本发明的若干创新实施例。
在一个实施例中，相位同步的多LC储能振荡器包括多个配置为以同步方式振荡的振荡级。多个振荡级的每一级的相位基本上相同。
在一个实施例中，互感器在振荡器之间提供电感耦合，以便可以改动或消除振荡器的电耦合，从而减少电耦合引起的噪声。
本发明的这些和其余特征及优点将在如下详细说明中结合附图予以详细阐述，附图以图解方式举例说明本发明原理。
通过结合附图阅读如下详细说明将容易理解本发明，附图中类似的标号指示类似的结构元素，其中图1A是说明电耦合相位同步LC储能振荡器的框图；
图1B是说明电耦合相位同步振荡器的替代设计的框图；图1C是说明利用了四个以同步方式振荡的振荡级的另一种LC储能振荡器体系结构的图；图2是说明LC储能振荡器的图；图3A是说明互相感应的四个电感的矩形物理布局的图；图3B是说明互相感应的四个电感的八角形物理布局的图；图3C是说明互相感应的四个电感的环形布局的图；图3D是详细说明一个电感如何在交叉点上从另一电感下面通过的图；图4A是说明两个振荡级同步LC储能振荡器的图，其中所述振荡器以无电耦合的电感方式耦合；图4B是说明互相感应的两个电耦的布局的图；图4C是说明四个振荡级的同步LC储能振荡器的图，其中所述振荡器以无电耦合的电感方式耦合；图5是说明四个振荡级的同步LC储能振荡器的图，其中所述振荡器以选择性包括电耦合的电感方式耦合并由一组开关控制；图6A是说明电耦合相位同步LC储能振荡器的框图；图6B是说明电耦合相位同步振荡器的替代设计的框图；图6C是说明利用了四个以同步方式振荡的振荡级的另一种LC储能振荡器体系结构的图；图7是说明LC储能振荡器的图；图8A是说明互相感应的四个电感的矩形物理布局的图；图8B是说明互相感应的四个电感的八角形物理布局的图；图8C是说明互相感应的四个电感的环形布局的图；图8D是详细说明一个电感如何在交叉点上从另一电感下面通过的图；图9A是说明两个振荡级同步LC储能振荡器的图，其中所述振荡器以无电耦合的电感方式耦合；
图9B是说明互相感应的两个电耦的布局的图；图9C是说明四个振荡级的同步LC储能振荡器的图，其中所述振荡器以无电耦合的电感方式耦合；图10是说明四个振荡级的同步LC储能振荡器的图，其中所述振荡器以选择性包括电耦合的电感方式耦合并由一组开关控制。
详细说明以下对本发明作详细说明。虽然本发明是结合优选实施例来进行说明的，应理解，本发明不限于任一实施例。相反，本发明范围只由所附权利要求书限定，并且本发明包括许多替代、修改和等同物。出于举例的目的，在如下说明中称述了许多具体细节，以便提供对本发明的透彻理解。本发明可以根据权利要求书略去一些或所有具体细节来实施。为清楚起见，与本发明有关的所属技术领域公知的技术资料未作详细说明，以便突出本发明。
公开了一种使用片上电感或其余低品质电感产生高品质振荡信号输出的振荡器体系结构。所得振荡器的相位噪声得到改善，从而可以满足无线设备的高性能要求。多个同步低品质振荡器通过使振荡相位与其余对等振荡器同步而形成高品质振荡器。因为振荡是同步的，所以磁通可以在不同振荡器中所用的对应电感之间共享，而又不会增加各电感的电阻。
多个振荡器输出的相位同步信号相加使相位噪声性能改善，这是因为每增加一个同相振荡器输出，输出信号功率增加6分贝；而每增加一个振荡器输出，噪声功率增加3分贝。因此，所公开的多振荡器体系结构有效地实现了高品质振荡，即便在各振荡器质量相对较低的情况下亦是如此。
图1是说明一个实施例中所采用的体系结构的框图，在该体系结构中使相位同步是通过将来自每个振荡级的信号输出到相邻振荡级中来实现的。该体系结构包括四个振荡级102、104、106和108。每个振荡器包括两个输入和两个输出。每个振荡级将其自身的输出信号输出到两个相邻的振荡级并且还从两个相邻的振荡级接收输入。例如，振荡器104包括与相邻振荡器102的输入相连的第一输出和与其另一相邻振荡器106的输入相连的第二输出。此外，振荡器104包括与相邻振荡器102的输出相邻的第一输入和与其另一相邻振荡器106的输出相连的第二输入。结果，所有振荡器以同步方式振荡。
图2是说明一个实施例中采用的体系结构的框图，其中使相位同步是通过将来自每个振荡级的信号输出到相邻和不相邻振荡级中来实现的。该体系结构包括四个振荡级202、204、206和208。每个振荡器包括两个输入和两个输出。每个振荡级将其自身的输出信号输出到一个相邻振荡级和一个不相邻振荡级。例如，振荡器204包括反馈到振荡器202输入上的第一输出和跳过一级前馈到振荡器206输入的第二输出。此外，振荡器204包括与不相邻振荡器208的输出相连的第一输入和与相邻振荡器206的输出相连的第二输入。结果，所有振荡器以同步方式振荡。
图3是说明一个实施例中采用的体系结构的框图，其中使相位同步是通过使每个振荡级接收相隔一个振荡级的输入来实现的。该体系结构包括四个振荡级302、304、306和308。每个振荡器包括各自分开的四个输入和两个输出。每个振荡级相隔一个振荡级输出其自身输出信号，同时其余振荡器之一接收该输出两次。例如，振荡级304包括馈送到振荡级302的输入和振荡级308的输入的第一输出。振荡级304还包括馈送到振荡级306的两个输入的第二输出。结果，所有振荡器以同步方式振荡。
图4A是说明一个实施例中所用的LC储能振荡器的框图。LC储能振荡级400包括第一电感402和第二电感412。在上述体系结构中，四个基本相同的振荡器是按照所示的不同方案来配置的。每个振荡级包括其自身的两个电感，一个对应于电感402，另一个对应于电感412。在其他实施例中采用了其他的LC配置。
图4B是说明一个实施例中所用的替代LC储能振荡器的框图，其中每个振荡级包括四个输入。LC储能振荡级450包括第一电感452和第二电感462。基本相同的振荡级按照选定的多振荡级结构加以配置。每个振荡级包括其自身的两个电感，一个对应于电感452，另一个对应于电感462。。
如上所述，在大多数常规电感中，增加电感就会因为包含该电感的线圈长度增加而使电感的电阻增加。长度增加的金属线具有较高的电阻，从而使振荡质量得不到改善。如果采用了相位同步的多储能振荡器体系结构，则在相关振荡器中对应电感之间的相同方向上产生磁通。如果对应电感物理上配置成使其磁通相加，则这些电感之间的互感可具有使每个单独电感的有效电感增加而又不会增加电感电阻的效果。从而可以改善相位同步的多LC储能振荡器产生的振荡质量。此外，如果振荡器的电感重叠或同心配置，则可以节省芯片表面空白。
图5是说明一个实施例中如何对不同振荡级的对应电感进行物理配置，以通过增加它们的磁通量来增加其互感的图。如上所述，每个振荡级以同步方式振荡，以便在相同方向上产生对应的磁通。电感402、404、406和408包括各具有一个或多个环路的线圈。这些线圈围绕共同中心形成同心配置，使磁通量增加。
已对其中包括四个振荡级的相位同步多LC储能振荡器的几个实施例作了说明。在其他实施例中可采用不同数量的同步振荡器。而且，说明了连接各振荡器，使其以同步方式振荡的各种方式。在不同的实施例中，振荡器以不同的方式相连以便以同步方式振荡。此外，具有两个输入的振荡器已在所给示例中显示。在其他实施例中，可采用具有两个以上输入的振荡器。
图6A是说明电耦合相位同步的LC储能振荡器的框图。每个振荡级602、604、606和608包括一对输入和一对输出。每个振荡级的优选设计如图7所示。每个输出与振荡器链中下一振荡器的输入相连。此配置使每个振荡器以同步方式振荡。
图6B是说明电耦合相位同步的振荡器的替代设计的框图。每个振荡级612、614、616和618包括一对输入和一对输出。每个LC储能振荡器的优选设计如图7所示。每个输出与振荡器链中的下一振荡器的输入相连，其中，选择了与图1中所选输入不同的输入。此配置使每个振荡器以同步方式振荡。
图6C是说明另一LC储能振荡器体系结构的图，该结构利用了四个以同步方式振荡的振荡级622、624、626和628。每个振荡级包括四个输入和两个输出。输入和输出再次配置为使各振荡级同相振荡。
图7是说明LC储能振荡器的图。LC储能振荡器700包括输入节点702和输入节点704。输入节点通过晶体管网络与电路706的LC部分耦合。因为各LC储能振荡器以同步方式振荡，所以这些振荡器可以互相感应的方式配置。对每个电感进行布置，使得其中包含电感磁通的面积基本上与构成环中其他振荡器的其他电感的磁通面积共存。
图8A是说明四个电感的矩形物理布局的图，其中所述四个电感以上述方式互相感应。该布局包括电感802、804、806和808。该布局是对称的，各电感的磁通面积基本上重叠。虚线用于说明一条电感线下降到较低层，以便在另一电感线下面通过。此布局是利用如图8D所示的多层金属结构来实现的。形成环路的每个电感开始于第一上层，随后过渡到第二下层以便必要时在另一电感下面通过，然后再过渡回到第一层。
图8B是说明四个电感的八角形物理布局的图，其中所述四个电感以上述方式互相感应。该布局包括电感812、814、816和818。该布局是对称的，并且各电感的磁通面积基本上重叠。虚线用于说明一条线在另一条线下面通过的情形。此布局利用如图8D所示的多层金属结构来实现。所示的八角形布局的优点在于，各转弯角不是锐角，这就减少了电流汇聚。
图8C是说明四个电感的环形布局的图，其中所述四个电感以上述方式互相感应。该布局包括电感822、824、826和828。该布局是对称的，并且各电感的磁通面积基本上重叠。虚线用于说明一条线在另一条线下面通过的情形。此布局利用如图8D所示的多层金属结构来实现。所示的环形布局的优点在于消除了转弯角，从而减少了电流汇聚。
图8D是详细说明一个电感如何在交叉点上在另一电感的下面通过。这些电感最好布置在金属层顶部。取决于生产工艺，顶部金属层可比顶层正下方的第二层厚(在某些实施例中约为两倍或三倍)。当顶层比下层厚时，下层往往具有更高的电阻。此问题可以通过将顶层连接到两个或两个以上的平行下层来减轻。在交叉点上，一个电感在顶层被中断并利用一个或多个过孔连接到一个或多个下层。一旦通过交叉点，该电感就回到顶层，且一个或多个过孔将下层连接到顶层。
在所示示例中，电感850位于顶层，直到达到与电感860的交叉点。电感850在顶层中被中断，通过过孔851连接到第二层和第三层。电感850的第二层部分852和第三层部分854通过电感860的下方。一旦通过该交叉点，过孔855就将第二层部分852和第三层部分854连接回到顶层，于是电感850重新出现在顶层。在不同实施例中，可以采用不同数量的层。一般而言，只需要两层，但额外的层可用于降低下降到下层的电感部分的电阻。
如上所述，除了所公开的采用四个振荡级的体系结构，也可以采用其他四振荡级体系结构以及具有不同数量的振荡器的体系结构。
图9A是说明两个振荡级的同步LC储能振荡器的图，其中所示振荡器以无电耦合的电感方式耦合。振荡器902和904通过其电感903和905以电感方式耦合。每个电感包括与偏置电压Vdd相连的中心抽头。电感耦合使振荡级无需电耦合以同步方式振荡。通过以电感耦合替代电耦合，消除了与电耦合电路相关的噪声。
图9B是说明两个电感的布局的图，其中所示两个电感以上述方式互相感应。所述电感布置在顶层，其中，电感914下降到下层以便在适当点从电感912下面通过。每个电感包括中心抽头。每个电感的包含磁通的面积基本上与另一电感的磁通面积相共存。在其他实施例中，可采用不同形状的电感，如以上所示的八角形和环形电感。
图9C是说明四个振荡级的同步LC储能振荡器的图，其中所述振荡器以无电耦合的电感方式耦合。振荡器932、934、936和938通过它们的电感942、944、946和948以电感方式耦合。这些电感以图8A-8C所示的方式进行布置，以便包含磁通的面积基本上重叠。电感耦合使各振荡级无需电耦合以同步方式振荡。通过以电感耦合替代电耦合，消除了与电耦合电路相关的噪声。
图10是说明四个振荡级的同步LC储能振荡器的图，其中所述振荡器以选择性包括电耦合的电感方式耦合并由一组开关控制。利用开关来选择性地连接或断开电感耦合。振荡器952、954、956和958通过它们的电感962、964、966和968以电感方式耦合。开关971、972、973、975、976、977和978选择性地连接或断开各振荡器之间的电耦合。这些电感以图8A-8C所示的方式进行布置，以便包含磁通的面积基本上重叠。当利用开关断开电耦合时，电感耦合使各振荡级无电耦合地以同步方式振荡。通过以电感耦合替代电耦合，消除了与电耦合电路相关的噪声。至此已说明了包括耦合电感的LC储能振荡器的若干实施例。在一些实施例中，两个或两个以上的振荡器在没有电耦合或电耦合减少的情况下利用电感耦合使两个或两个以上的振荡器同步。同步耦合改善了振荡器的相位噪声。而且，电感耦合提高了Q值(品质因数值)，从而改善了相位噪声。与非同步振荡器相比，在相同功率下取得了较低的相位噪声或在相同相位噪声条件下需要较低的功率。耦合电感因重叠而占据较少面积。以上说明了若干示范性重叠电感布局实施例。
虽然以上为了获得清楚的理解而相当详细地对本发明作了说明，但显然可以在所附权利要求书的范围进行某些改动和修改。应注意，存在许多种实施本发明的过程和装置的替代方式。因此，所述实施例应视为说明性而非选择性的，并且本发明不限于本说明书中给出的细节，而是可以在所附权利要求书的范围和等同范围内加以修改。
权利要求
1.一种相位同步的多LC储能振荡器，包括配置为以同步方式振荡的多个振荡级，其中，所述多个振荡级的每一级的相位基本相同。
2.如权利要求1所述的相位同步的多LC储能振荡器，其特征在于，所述多个振荡级包括四个振荡级，每个振荡级具有两个输入和两个输出，以及其中所述多个振荡级的每一级将其自身的输出信号输出到两个相邻的振荡级并且还从所述两个相邻振荡级接收输入。
3.如权利要求1所述的相位同步的多LC储能振荡器，其特征在于，所述多个振荡级的每一级具有两个输入和两个输出，以及其中所述多个振荡级的每一级将其自身的输出信号输出到两个相邻的振荡级并且还从所述两个相邻振荡级接收输入。
4.如权利要求1所述的相位同步的多LC储能振荡器，其特征在于，所述多个振荡级包括四个振荡器，每个振荡级具有多个输入和多个输出，其中，所述多个振荡级的每一级将其输出信号输出到所述多个振荡级中的其余级，并且还以使所述各振荡级以同步方式振荡的方式从所述其余振荡级接收输入。
5.如权利要求1所述的相位同步的多LC储能振荡器，其特征在于，所述多个振荡级包括这样的振荡级，其具有与第一相邻振荡级的输入相连的第一输出和与第二相邻振荡级的输入相连的第二输出，并且所述振荡级还包括与所述第一相邻振荡级的输出相连的第一输入和与所述第二相邻振荡级的输出相连的第二输入。
6.如权利要求1所述的相位同步的多LC储能振荡器，其特征在于，所述多个振荡级包括四个振荡级，每个振荡级具有多个输入和多个输出，其中所述多个振荡级的每一级将其输出信号输出到所述多个振荡级中的其余振荡级，并且还以使所述各振荡级以同步方式振荡的方式从所述其余振荡级接收输入，以及其中所述振荡级中的每一级包括配置为互相感应的对应的电感器。
7.如权利要求1所述的相位同步的多LC储能振荡器，其特征在于，所述多个振荡级的每一级具有两个以上的输入。
8.如权利要求1所述的相位同步的多LC储能振荡器，其特征在于，所述多个振荡级的每一级具有两个以上的输出。
9.如权利要求1所述的相位同步的多LC储能振荡器，其特征在于，所述多个振荡级的每一级包括四个以上的振荡级。
10.一种相位同步的多LC储能振荡器，包括配置为以同步方式振荡的多个振荡级，其中，所述多个振荡级的每一级的相位基本相同并且所述多个振荡器以电感方式耦合。
11.如权利要求10所述的相位同步的多LC储能振荡器，其特征在于，所述同步振荡实质上由磁耦合引起。
12.如权利要求10所述的相位同步的多LC储能振荡器，其特征在于，所述同步振荡级基本上不是电耦合的
13.如权利要求10所述的相位同步的多LC储能振荡器，其特征在于，所述同步振荡级在第一时间间隔内以电方式耦合，而在第二时间间隔内断开所述电耦合。
14.如权利要求10所述的相位同步的多LC储能振荡器，其特征在于，所述同步振荡级在第一时间间隔内以电方式耦合，而在第二时间间隔内减少电耦合。
15.如权利要求10所述的相位同步的多LC储能振荡器，其特征在于，所述多个振荡级包括四个振荡级。
16.如权利要求10所述的相位同步的多LC储能振荡器，其特征在于，所述多个振荡级包括两个振荡级。
17.如权利要求10所述的相位同步的多LC储能振荡器，其特征在于，所述电感耦合是利用两个中心抽头的电感器来实现的。
18.如权利要求10所述的相位同步的多LC储能振荡器，其特征在于，所述电感耦合是利用互相感应的电感来实现的。
19.如权利要求10所述的相位同步的多LC储能振荡器，其特征在于，所述电感耦合是利用具有基本上共存的其中包含磁通的面积的电感器来实现的。
20.如权利要求10所述的相位同步的多LC储能振荡器，其特征在于，所述振荡级中的至少一个包括开关。
21.如权利要求10所述的相位同步的多LC储能振荡器，其特征在于，所述相位同步的多LC储能振荡器用于无线收发器中。
22.一种多LC储能振荡器，包括具有第一电感的第一振荡级；以及具有第二电感的第二振荡级；其中，所述第一电感和所述第二电感互相感应。
23.如权利要求22所述的多LC储能振荡器，其特征在于，所述第一电感和第二电感布置成使所述电感包围的磁通面积重叠。
24.如权利要求22所述的多LC储能振荡器，其特征在于，所述第一电感和第二电感布置在集成电路的两层上。
25.如权利要求22所述的多LC储能振荡器，其特征在于，所述第一电感和第二电感布置在集成电路的三层上。
26.如权利要求22所述的多LC储能振荡器，其特征在于，所述第一电感的一部分在所述第二电感的下面通过。
27.如权利要求22所述的多LC储能振荡器，其特征在于，所述第一电感的所述部分位于包括所述第二电感的层以下的至少两层上。
28.如权利要求22所述的多LC储能振荡器，其特征在于，所述第一电感和第二电感分别设置成六角形。
29.如权利要求22所述的多LC储能振荡器，其特征在于，所述第一电感和第二电感分别设置成环形。
30.如权利要求22所述的多LC储能振荡器，其特征在于，当所述第一电感和所述第二电感交叉时所述第一电感下降到第二层。
31.如权利要求22所述的多LC储能振荡器，其特征在于，所述第一电感和第二电感位于集成电路的至多两层上。
32.如权利要求22所述的多LC储能振荡器，其特征在于还包括具有第三电感的第三振荡级；以及具有第四电感的第四振荡级；其中，所述第一电感、所述第二电感、所述第三电感和所述第四电感都是互相感应的。
33.如权利要求22所述的多LC储能振荡器，其特征在于还包括具有第三电感的第三振荡级；以及具有第四电感的第四振荡级；其中，所述第一电感、所述第二电感、所述第三电感和所述第四电感都是互相感应的，以及所述电感器中的两个电感交叉时，所述电感之一下降到第二层。
34.如权利要求22所述的多LC储能振荡器，其特征在于还包括具有第三电感的第三振荡级；以及具有第四电感的第四振荡级；其中，所述第一电感、所述第二电感、所述第三电感和所述第四电感都是互相感应的，并且所述第一电感、所述第二电感、所述第三电感和所述第四电感位于集成电路的两层上。
35.如权利要求22所述的多LC储能振荡器，其特征在于，所述第一振荡级包括开关。
全文摘要
一种相位同步的多LC储能振荡器包括多个配置为以同步方式振荡的振荡级(102，104，106，108)。所述多个振荡级中每一级的相位基本上相同。所述同步振荡器可以电感方式耦合，并且电感耦合可以减少或消除电耦合的需要。
文档编号H03B28/00GK1613175SQ02827041
公开日2005年5月4日 申请日期2002年11月14日 优先权日2001年11月14日
发明者B·金 申请人:伯卡纳无线公司