专利名称：正交压控振荡器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在执行正交调制/解调的RF收发机中采用的正交压控振荡器。更具体地，本发明涉及一种正交压控振荡器，其将公共节点配置为电感器以不使用有源器件对正交信号进行差分(differentiate)，从而能够改善相位噪声性能和减小功耗。
背景技术：
近年来，对于无线通信的需求已经在世界范围内增长。但是有限的可用频率提高了特定频率的特许费。因此，公司和相关组织都在寻求更加复杂的调制以提高频率使用的效率。此外，这种有限的频率导致需要更高的频率和能够处理更高频率的射频集成电路(Radio Frequency Integrated Circuit，RFIC)。
这里，通过调制方法(典型地，确保频率使用率最高的正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)(在CATV中使用))来确定RF可处理的最高数据率。QAM系统的特征在于同一频率中的两个不同信号波形以及两个信号之间90度的相位差。
信号中的一个通常称作同相(I)信号并且另一个称作正交相位(Q)信号。I/Q信号典型地通过由压控振荡器(VCO)产生的信号进行调制/解调。
同时，在RF接收机中将频率进行降频转换(down-converted)。此时，VCO的相位噪声是决定接收机性能的关键因素。而且，近来需要接收机实现集成、小型化和低功耗、以及用于增加数据速度的I/Q信号。
用于生成I/Q信号的方法根据相移主要分为耦合方法和注入方法。同样，根据有源器件的使用，I/Q信号生成方法分为有源方法和无源方法。
具体地，首先，在采用VCO和频率分配器的情况下，VCO的占空比小于50％使得I/Q信号不精确。这里，频率分配器的负载典型地作为电阻，然而，其尺寸不同以致于损害IQ信号的精确性。
其次，在采用VCO和多相滤波器的情况下，由于显著的信号损失，必然要增加放大器，因此导致很大的额外功耗。
第三，在采用两个分离的VCO且耦合的情况下，使用耦合晶体管以耦合VCO，从而增加了相位噪声。
将参照图1说明基于注入方法的传统正交压控振荡器。
图1是示出传统正交压控振荡器的电路图。
图1中所示的传统正交压控振荡器是差分交叉耦合LC调谐压控振荡器(differential cross-coupled LC-tuned voltage controlledoscillator)。压控振荡器包括第一振荡器10、第二振荡器20、变压器30和电流源40。第一振荡器10生成具有180度相位差的第一和第二信号V1和V2。第二振荡器20生成具有180度相位差的第三和第四信号V3和V4。变压器30包括两个线圈Ls1和Ls2，通过Ls1和Ls2，第一和第二信号V1和V2以及第三和第四信号V3和V4以异相关系执行磁感应耦合。变压器30在线圈Ls1和Ls2之间维持预置相位差。电流源40通常连接至变压器和接地。
压控振荡器包括第一和第二接地电容器Cs1和Cs2，其分别连接至变压器30的线圈Ls1和Ls2。并且，第一和第二电容器Cs1和Cs2使得能够通过较大的阻抗注入。
这种正交压控振荡器在美国专利第6,911,870号中进行了详细披露。
在传统正交压控振荡器中，为了生成正交信号，线圈Ls1和Ls2耦合至电压Vs1和Vs2，并且用电压Vs1和Vs2注入锁定，其中，Vs1和Vs2每个均具有两倍于每个振荡器的输出频率的频率。这改善了相位噪声性能，并且消除了对额外有源器件的需要。
然而，不利地，线圈Ls1和Ls2需要集成到传统正交压控振荡器的IC内部。
发明内容
为了解决现有技术的上述问题做出本发明，因此根据本发明的特定实施例的目标在于提供在执行正交调制/解调的RF收发机中采用的正交压控振荡器，并且将公共节点配置为电感器以不需要有源器件来对正交信号进行差分，从而实现改善相位噪声特性和降低功耗。
根据用于实现该目标的本发明的一个方面，提供了一种正交压控振荡器，其包括第一振荡器，包括用于生成预置的第一谐振频率的第一谐振电路和用于将能量提供给第一谐振频率以生成具有180度相位差的第一和第二信号的第一交叉耦合晶体管对；第二振荡器，包括用于生成预置的第二谐振频率的第二谐振电路和用于将能量提供给第二谐振频率以生成具有180度相位差的第三和第四信号的第二交叉耦合晶体管对；第一电流源，连接在第一交叉耦合晶体管对的第一公共节点和地之间；第二电流源，连接在第二交叉耦合晶体管对的第二公共节点和地之间；以及差分负载，连接在第一和第二电流源的第三公共节点和地之间。
第一谐振电路包括第一电感器部，其包括两个电感器，每个电感器均具有第一和第二端，第一端并联连接至电源电压端子；以及第一电容器部，用于响应于第一控制电压提供电容，并且与第一电感器部协作以生成第一谐振频率，第一电容器部连接至第一电感器部的各个电感器的第二端。
这里，第一电流源包括金属氧化物半导体(MOS)晶体管，其具有用于接收第一控制信号的栅极、连接至第一公共节点的漏极和连接至第三公共节点的源极，MOS晶体管响应于第一控制信号控制在漏极和源极之间流动的电流。
第二谐振电路包括第二电感器部，其包括两个电感器，每个电感器均具有第一和第二端，第一端并联连接至电源电压端子；以及第二电容器部，用于响应于第二控制电压提供电容，并且与第二电感器部协作以生成第二谐振频率，第二电容器部连接至第二电感器部的各个电感器的第二端。
这里，第二电流源包括MOS晶体管，其具有用于接收第二控制信号的栅极、连接至第二公共节点的漏极、和连接至第三公共节点的源极，MOS晶体管响应于第二控制信号控制在漏极和源极之间流动的电流。
差分负载包括用于感应交流电的电感器。
第一振荡器的第一和第二信号相对于第二振荡器的第三和第四信号分别具有90度的相位差。
第一电流源还包括连接至MOS晶体管的栅极的电阻器。
第二电流源还包括连接至MOS晶体管的栅极的电阻器。
第一电容器部包括两个串联连接至第一电感器部的各个电感器的第二端的电容器，其中，第一电容器部的电容器提供随第一控制电压变化的电容。
第二电容器部包括两个串联连接至第二电感器部的各个电感器的另一端的电容器，其中，第二电容器部的电容器提供随第二控制电压变化的电容。
通过以下结合附图的详细描述，本发明的上述和其他目标、特征和其他优点将更加容易理解，其中图1是示出传统正交压控振荡器的电路图；图2是示出根据本发明的正交压控振荡器的电路图；图3是示出图2的第一和第二电流源的电路图；图4是示出图2的正交信号的波形图。
具体实施例方式
现在，将参照附图详细描述本发明的优选实施例，其中，不同附图中相同的参考标号用于表示相同或相似的部件。
图2是示出本发明的正交压控振荡器的电路图。
参照图2，本发明的正交压控振荡器包括第一振荡器100、第二振荡器200、第一电流源300、第二电流源400和差分负载500。
第一振荡器100包括第一谐振电路110，用于生成预置的第一谐振频率；以及第一交叉耦合晶体管对M11和M12，用于将能量提供给第一谐振频率以生成具有180度相位差的第一和第二信号V1和V2。
第二振荡器200包括第二谐振电路210，用于生成预置的第二谐振频率；以及第二交叉耦合晶体管对M21和M22，用于将能量提供给第二谐振频率以生成具有180度相位差的第三和第四信号V3和V4。
第一电流源300连接在第一交叉耦合晶体管对M11和M12的第一公共节点N1和地之间，第二电流源400连接在第二交叉耦合晶体管对M21和M22的第二公共节点N2和地之间。
差分负载500连接在第一和第二电流源300和400的第三公共节点N3和地之间。例如，差分负载500可以构造为用于感应交流电的电感器。
同样，第一振荡器100的第一和第二信号相对于第二振荡器200的第三和第四信号分别具有90度的相位差。
具体地，第一谐振电路110包括第一电感器部L10和第一电容器部CV10。第一电感器部L10包括两个电感器L11和L12，每个电感器均具有第一和第二端。电感器L11和L12的第一端并联连接至电源电压端子Vdd。第一电容器部CV10连接至第一电感器部L10的各个电感器L11和L12的第二端。第一电容器部CV10响应于第一控制电压Vc1提供电容，并且与第一电感器部L10协作以生成第一谐振频率。
这里，第一电流源300配置为金属氧化物半导体(MOS)晶体管，MOS晶体管具有用于接收第一控制信号的栅极、连接至第一公共节点N1的漏极、和连接至第三公共节点N3的源极。MOS晶体管响应于第一控制信号控制流过漏极和源极的电流。
此外，第一电容器部CV10包括串联连接至第一电感器部L10的各个电感器L11和L12的第二端的两个电容器CV11和CV12。第一电容器部CV10的两个电容器CV11和CV12提供随第一控制电压Vc1变化的电容。这里，电容器CV11和CV12构造为诸如变容二极管的可变电容器件。
此外，具体地，第二谐振电路210包括第二电感器部L20和第二电容器部CV20。第二电感器部L20包括两个电感器L21和L22，每个电感器均具有第一和第二端。电感器的第一端并联连接至电源Vdd。第二电容器部CV20连接至第二电感器部L20的各个电感器L21和L22的第二端。第二电容器部CV20响应于第二控制电压Vc2提供电容，并且与第二电感器部L20协作以生成第二谐振频率。
第二电流源400配置为MOS晶体管，MOS晶体管具有用于接收第二控制信号的栅极、连接至第二公共节点N2的漏极和连接至第三公共节点N3的源极。MOS晶体管响应于第二控制信号控制漏极和源极之间流动的电流。
第二电容器部CV20包括两个电容器CV21和CV22，每个电容器均串联连接至第二电感器部L20的各个电感器L21和L22的第二端。第二电容器部CV20的电容器CV21和CV22提供随第二控制电压Vc2变化的电容。这里，电容器CV21和CV22构造为诸如变容二极管的可变电容器件。
图3是示出图2的第一和第二电流源的电路图。
参照图3，第一电流源300还包括连接至MOS晶体管M3的栅极端子的电阻器R11。同样地，第二电流源400还包括连接至MOS晶体管M4的栅极端的电阻器R12。
图4是示出图2的正交信号的波形图。参照图4，V1和V2分别表示由第一振荡器100生成的第一和第二信号。如上所述，第一和第二信号V1和V2彼此具有180度的相位差。V3和V4表示由第二振荡器200生成的第三和第四信号。第三和第四信号V3和V4也彼此具有180度的相位差。第一和第三信号V1和V3具有90度的相位差，并且第二和第四信号V2和V4具有90度的相位差。因此，第一到第四信号V1到V4是正交信号。
当第一和第二信号V1和V2被假定为I信号时，则第三和第四信号V3和V4是Q信号，反之亦然。
本发明的操作和效果将参照附图详细进行说明。
本发明的正交压控振荡器利用电感器对正交信号进行差分，从而不生成相位噪声并且更确保正交信号是差分的(differential)。将参照图2到图4给出详细说明。
参照图2，首先，本发明的正交压控振荡器的第一振荡器100生成彼此具有180度相位差的第一和第二信号V1和V2。进一步地解释，第一振荡器100的第一谐振电路110生成预置的第一谐振频率。同时，当由第一交叉耦合晶体管对M11和M12提供能量时，以第一谐振频率振荡。同样，第一交叉耦合晶体管对M11和M12生成彼此具有180度相位差的第一和第二信号V1和V2。
在第一振荡器100中，预置频率通过第一谐振电路110的第一电感器部L10的电感和第一谐振电路110的第一电容器部CV10的电容进行谐振。这里，在第一电容器部CV10的电容器构造为诸如变容二极管的可变电容器件的情况下，可调谐电容器件的电容可以通过控制电压而改变，以将谐振频率改变为期望的频率。
本发明的第一电流源300连接在第一交叉耦合晶体管对M11和M12的第一公共节点N1与地之间。这就允许电流在第一振荡器100的第一交叉耦合晶体管对M11和M12中恒定地流动，从而稳定第一振荡器100的振荡。
另外，在第一电流源300被构造为MOS晶体管的情况下，第一控制信号Sc1被提供到MOS晶体管的栅极，从而控制MOS晶体管的漏极和源极之间的电流。
同时，本发明的正交压控振荡器的第二振荡器200生成彼此具有180度相位差的第三和第四信号V3和V4。进一步地解释，第二振荡器200的第二谐振电路210生成预置的第一谐振频率。同时，当通过第二交叉耦合晶体管对M21和M22提供能量时，以第二谐振频率振荡。同样地，第二交叉耦合晶体管对M21和M22生成彼此具有180度相位差的第三和第四信号V3和V4。
在第二振荡器200中，预置频率通过第二谐振电路210的第二电感器部L20的电感和第二谐振电路210的第二电容器部CV20的电容发生谐振。这里，在第二电容器部CV20的电容器被配置为变容二极管的情况下，可变电容器件的电容通过控制电压而变化，以将谐振频率改变为期望频率。
第二电流源400类似于第一电流源300工作。也就是说，本发明的第二电流源400连接至第二交叉耦合晶体管对M21和M22的第二公共节点N2和地之间。这允许电流在第二振荡器200的第二交叉耦合晶体管对M21和M22中恒定地流动，从而稳定第二振荡器200的振荡。
并且，在第二电流源400被配置为MOS晶体管的情况下，将第二控制信号Sc2施加到MOS晶体管的栅极，从而控制MOS晶体管的漏极和源极之间的电流。
此外，差分负载(differential load)500连接在第一电流源300和第二电流源400的第三公共节点N3和地之间。差分负载500对第一和第二电流源300和400进行差分，以确保第一到第四信号为正交信号。
照这样，本发明的正交压控振荡器包括第一和第二振荡器100和200、以及连接至两个独立振荡器100和200的第一和第二电流源300和400的公共节点的差分负载500。这里，独立振荡器100和200可以只在第一公共节点N1和第二公共节点N2是差分的时应用I/Q信号。首先，两个振荡器100和200的每个均生成差分信号V1、V2、V3和V4。
这里，由于差动放大器的推-推式(push-push)操作，第一和第二公共节点N1和N2具有两倍于第一到第四信号V1、V2、V3和V4的频率成分。然而，没有两个公共节点N1和N2之间的耦合，在第一和第二公共节点N1和N2处的信号彼此就不是差分的，从而在振荡器中不会产生I/Q信号。
然而，如图2所示，本发明采用用于感应交流电的电感器，从而使得在公共节点N1和N2处的信号彼此是差分的。
同时，参照图3，电阻器R11和R12连接至第一和第二电流源300和400中的MOS晶体管M3和M4各自的栅极。电阻器R11和R12还确保MOS晶体管M3和M4彼此是差分的。这是因为，在没有MOS晶体管M3和M4中的电阻器的情况下，MOS晶体管M3和M4的栅极可能DC偏置也可能AC接地。这样防止了MOS晶体管M3和M4差分操作。最后，第一和第二公共节点N1和N2彼此不是差分的。
因此，根据本发明，连接至MOS晶体管M3和M4的栅极的电阻器还确保MOS晶体管M3和M4差分地操作。
结果，如图4所示，根据本发明的正交压控振荡器，第一到第四信号V1、V2、V3、和V4显示出90度相位差，所以第一和第二公共节点N1和N2彼此是差分的。
如上刚刚所描述的，本发明克服了由耦合晶体管的相移引起的相位噪声的传统问题。并且，为了消除相位噪声，本发明减少了对于IC集成很麻烦的电感器的数量。
如上所述，本发明可应用到执行正交调制/解调的RF收发机，其中，公共节点被配置为电感器以对正交信号差分。这排除了对于有源器件的需要，从而改善了相位噪声性能并且降低了功耗。
也就是说，由于不存在有源器件，所以相位噪声没有增加，并且不需要额外的晶体管。因此，没有消耗额外的功率，并且在LC谐振电路(tank)的峰值阻抗处更精确地执行振荡，从而防止了相位噪声的增加。而且，可以外部安装额外的电感器以增强IC集成。
虽然结合优选实施例示出和描述了本发明，对于本领域技术人员将是显而易见的，在不脱离由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种修改和变化。
权利要求
1.一种正交压控振荡器，包括第一振荡器，包括第一谐振电路，用于生成预置的第一谐振频率；以及第一交叉耦合晶体管对，用于将能量提供给所述第一谐振频率，以生成具有180度相位差的第一信号和第二信号；第二振荡器，包括第二谐振电路，用于生成预置的第二谐振频率；以及第二交叉耦合晶体管对，用于将能量提供给所述第二谐振频率，以生成具有180度相位差的第三信号和第四信号；第一电流源，连接在所述第一交叉耦合晶体管对的第一公共节点和地之间；第二电流源，连接在所述第二交叉耦合晶体管对的第二公共节点和所述地之间；以及差分负载，连接在所述第一电流源和第二电流源的第三公共节点和所述地之间。
2.根据权利要求1所述的正交压控振荡器，其中，所述第一谐振电路包括第一电感器部，包括两个电感器，每个电感器均具有第一端和第二端，所述第一端并联连接至电源电压端子；以及第一电容器部，用于响应于第一控制电压提供电容，并且与所述第一电感器部协作以生成所述第一谐振频率，所述第一电容器部连接至所述第一电感器部的所述各个电感器的所述第二端。
3.根据权利要求2所述的正交压控振荡器，其中，所述第一电流源包括金属氧化物半导体(MOS)晶体管，所述MOS晶体管具有用于接收第一控制信号的栅极、连接至所述第一公共节点的漏极和连接至所述第三公共节点的源极，所述MOS晶体管响应于所述第一控制信号控制在所述漏极和所述源极之间流动的电流。
4.根据权利要求1所述的正交压控振荡器，其中，所述第二谐振电路包括第二电感器部，包括两个电感器，每个电感器均具有第一端和第二端，所述第一端并联连接至所述电源电压端子；以及第二电容器部，用于响应于第二控制电压提供电容，并且与所述第二电感器部协作以生成所述第二谐振频率，所述第二电容器部连接至所述第二电感器部的所述各个电感器的所述第二端。
5.根据权利要求4所述的正交压控振荡器，其中，所述第二电流源包括MOS晶体管，所述MOS晶体管具有用于接收第二控制信号的栅极、连接至所述第二公共节点的漏极和连接至所述第三公共节点的源极，所述MOS晶体管响应于所述第二控制信号控制在所述漏极和源极之间流动的电流。
6.根据权利要求1所述的正交压控振荡器，其中，所述差分负载包括用于感应交流电的电感器。
7.根据权利要求6所述的正交压控振荡器，其中，所述第一振荡器的所述第一信号和第二信号相对于所述第二振荡器的所述第三信号和第四信号分别具有90度相位差。
8.根据权利要求3所述的正交压控振荡器，其中，所述第一电流源还包括连接至所述MOS晶体管的所述栅极的电阻器。
9.根据权利要求5所述的正交压控振荡器，其中，所述第二电流源还包括连接至所述MOS晶体管的所述栅极的电阻器。
10.根据权利要求2所述的正交压控振荡器，其中，所述第一电容器部包括串联连接至所述第一电感器部的所述各个电感器的所述第二端的两个电容器，其中，所述第一电容器部的所述电容器提供随所述第一控制电压变化的电容。
11.根据权利要求4所述的正交压控振荡器，其中，所述第二电容器部包括串联连接至所述第二电感器部的所述各个电感器的所述第二端的两个电容器，其中，所述第二电容器部的所述电容器提供随所述第二控制电压变化的电容。
全文摘要
在一种正交压控振荡器中，第一振荡器包括第一谐振电路，用于生成预置的第一谐振频率；以及第一交叉耦合晶体管对，用于将能量提供给第一谐振频率以生成具有180度相位差的第一和第二信号。第二振荡器包括第二谐振电路，用于生成预置的第二谐振频率；以及第二交叉耦合晶体管对，用于将能量提供给第二谐振频率以生成具有180度相位差的第三和第四信号。第一电流源连接在第一交叉耦合晶体管对的第一公共节点和地之间。第二电流源连接在第二交叉耦合晶体管对的第二公共节点和地之间。差分负载连接在第一和第二电流源的第三公共节点和地之间。
文档编号H03B27/00GK1933323SQ200610154179
公开日2007年3月21日 申请日期2006年9月15日 优先权日2005年9月15日
发明者吴升珉, 白元镇 申请人:三星电机株式会社