谐振器的电感电容槽的制作方法

本发明关于一种电路设计，更具体地，关于一种用于谐振器(resonator)的电感电容(inductor capacitor，LC)槽(tank)。

背景技术：

对于谐振器组(resonator set)，在基于线圈的LC槽的设计中，例如LC压控振荡器(voltage-controlled oscillator，VCO)或者LC数控振荡器(digital-controlled oscillator，VCO)，半导体制造工艺中的变化(variation)总是关注的问题。多年来，已经使用了一些设计来提高了成品率。因为频率微调的行为不是线性曲线，其中一些方案遭受元件变化，其它一些方案难以控制。

在这个领域中的重要问题是如何设计出抗制程变化的LC槽，其也可以被准确地调谐并有效地校准。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供一种电感电容槽，可具有更好的抗设备变化能力。

依据本发明第一方面，提出一种电感电容槽。该电感电容槽包括第一电感器和第一可调谐电容阵列。第一电感器具有第一端子和第二端子，以及第一可调谐电容阵列具有第一端子和第二端子。其中第一可调谐电容阵列包括多个被独立控制的可调谐电容单元，位于从第一电感器的第一端子和第二端 子之间的第一点分出的路径，第一可调谐电容阵列的所述第一端子耦接到第一点，以及第一可调谐电容阵列的第二端子和第一电感器的第二端子耦接到参考电压。

依据本发明第二方面，提出一种电感电容槽。该电感电容槽包括第一电感器、第二电感器和第一可调谐电容阵列。第一电感器具有第一端子和第二端子，第二电感器具有第一端子和第二端子，其中所述第二电感器的所述第二端子和所述第一电感器的所述第二端子相互耦接，第一可调谐电容阵列具有第一端子和第二端子。其中所述第一可调谐电容阵列位于从所述第一电感器的所述第一端子和所述第二端子之间的第一点至所述第二电感器的所述第一端子和所述第二端子之间的第二点分出的路径，所述第一可调谐电容阵列的所述第一端子耦接到所述第一点，以及所述第一可调谐电容阵列的所述第二端子耦接到所述第二点。

为了对本发明的上述及其它方面有更佳的了解，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：

【附图说明】

图1为根据本发明第一实施例的LC槽的示意图。

图2为振荡频率f_osc至C₁的微分比上(over)振荡频率f_osc至C₂的微分相对于α的图表。

图3为根据本发明另一实施例的LC槽的示意图。

图4示出了根据本发明实施例的微分非线性(DNL)和控制代码之间的关系。

图5为根据本发明第二实施例的LC槽的示意图。

图6为根据本发明第三实施例的LC槽的示意图。

图7示出本发明的LC槽的一部分的拓扑。

图8为根据本发明第四实施例的LC槽的示意图。

图9示出本发明LC槽的一部分的另一拓扑。

【具体实施方式】

在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定的元件。本领域的技术人员应可理解，制造商可能会用不同的名词来称呼同一个元件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”为开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。以外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述第一装置耦接到第二装置，则代表该第一装置可直接电气连接于该第二装置，或通过其他装置或连接手段间接地电气连接至该第二装置。

图1为根据本发明第一实施例的LC槽的示意图。单端多阶(single-ended multi-order)LC槽100包括电感器L以及可切换电容元件C₁和C₂。具体而言，电容器装置可被放置在可切换电容元件C₁和C₂的每一可切换电容元件中。电容器装置可根据所提供的数据字(data word)通过开关来被开启或关闭。需要注意的是本发明中装置的数量不受限制。此外，可切换电容元件C₁和C₂可以由其他设计的模拟调谐电容器(analog tunable capacitor)来代替。可切换电容元件C₂耦接于电感器L的端子N1和参考电压(例如接地电压)或另一参考电压之间。可切换电容元件C₁耦接于电感器L的点VxP和参考电压之间，其中该点VxP可根据设计规格而任意地选择，并且电感器L被分成两个串联的子电感器L₁和L₂。注意，电感器L的电感(在下文中，L)等于电感器L₁和L₂的电感(在下文中，L₁和L₂)总和。在实践中， 点VxP可以是电感器L上除了端子N1和另一端N2的任何一点。优选L₁比L₂小；然而，L₁<L₂不是本发明的限制。端子N2耦接到参考电压。此外，电感器L可以是螺旋线圈，从电感器L的端子N2至点VxP的距离可以小于从点VxP至电感器L的端子N1的距离，其中上述距离是沿着所述螺旋线圈的子线圈来测量的。

LC槽100能够通过控制可切换电容元件C₂来与不同的系统标准进行操作，然而这可以是在一些应用中的可选功能。因此，可切换电容元件C₂对本发明而言不是必需的。本发明的概念是使用可切换电容元件C₁来按一定频率步长(frequency step size)调谐(tune)LC槽100；优点将在下文叙述。当可切换电容元件C₂的电容(下文中，C₂)比C₁的电容(在下文，C₁)大时，振荡频率f_osc可被表示为如下：

$f_{osc}=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}\sqrt{\frac{1}{2C_1{L}_1}+\frac{1}{2C_1{L}_2}+\frac{1}{2C_2{L}_2}-\frac{\sqrt{{(C_1{L}_1+C_2{L}_1+C_2{L}_2)}^2-4C_1{C}_2{L}_1{L}_2}}{2C_1{C}_2{L}_1{L}_2}}---\left(1\right)$

其中，因为通过看入(look into)VxP获得的阻抗小于通过看入端子N1获得的阻抗，振荡频率f_osc并不对可切换电容元件C₁的单位调整ΔC₁敏感。

如果L₁＝αL和L₂＝(1-α)L，则将获得关于C₁的振荡频率f_osc的微分(differentiation)与关于C₂的振荡频率f_osc的微分的比例：

$\frac{\&part;f_{osc}}{\&part;C_1}/\frac{\&part;f_{osc}}{\&part;C_2}=\frac{-{C_2}^2\&lsqb;\mathrm{\&alpha;}(2\mathrm{\&alpha;}-1)C_1+C_2-Q\&rsqb;}{{{\mathrm{\&alpha;C}}_1}^2\&lsqb;C_2(1-2\mathrm{\&alpha;})-{\mathrm{\&alpha;C}}_1+Q\&rsqb;}---\left(2\right)$

其中，

$Q=\sqrt{{C_2}^2-2{\mathrm{\&alpha;C}}_1{C}_2+{\mathrm{\&alpha;}}^2{C}_1(C_1+4C_2)}---\left(3\right)$

如果C₁<<C₂或者α<<1，则其可以确定为：

$\frac{\&part;f_{osc}}{\&part;C_1}/\frac{\&part;f_{osc}}{\&part;C_2}={\mathrm{\&alpha;}}^2---\left(4\right)$

图2为振荡频率f_osc至C₁的微分比上(over)振荡频率f_osc至C₂的微分 相对于α的图表。如该图所示，当α小的时候，将变小，即使C₁＝C₂。从而可切换电容元件C₂不局限是小尺寸的：这是本发明的主要优点，因为具有小尺寸的电容元件相比具有较大尺寸的电容元件，在半导体制造过程中的变化变得更为关键。

表1

在上面所示的表1中，显示出由不同的α和C₁/C₂得到的不同的值。如果需要小频率步长，优选的实现可以是将可切换电容元件C₂放置在对应于α＝0.125的点VxP，而不是收缩可切换电容元件C₂的尺寸。以这种方式，设计可以变得更容易并且预测结果可更接近真实结果，因为LC槽100具有更好的抗设备变化能力。

图3为根据本发明另一实施例的LC槽200的示意图。LC槽200可包括图1中所示的LC槽100的一部分组件和LC槽100中一些相关连接。例如，LC槽200可包括可被分成两个串联的子电感器L₁和L₂的电感器L。此外，LC槽200还可以包括可调谐(tunable)电容阵列C1和电容元件C2，其中，可调谐电容阵列C1(为了简洁起见在图3中标为“Cap阵列”)可包括多个独立可控的可调谐电容单元(例如可以被独立控制的可调谐电容单元)。例如，多个可调谐电容单元的每一个可调谐电容单元可以是可切换的电容单元，因此，可调谐电容阵列C1可以是可切换的电容阵列，由数字信号来控制，可被设置为调谐LC槽200的振荡频率f_osc。在其他实施例中， LC槽200还可包括另一可调谐电容阵列C3(未绘示)，其第一端子耦接于点VxP与端子N1之间的另一点(未绘示)，其另一端子耦接于参考电压(如接地电压)或其他参考电压。可调谐电容阵列C3被设置为使用可调谐电容阵列C1和C3之间的频率调谐关系来执行校准过程，还可调谐LC槽200的振荡频率f_osc。此外，在一定的调谐范围，振荡频率f_osc对应于可调谐电容阵列C3的电容的微分与振荡频率f_osc对应于可调谐电容阵列C1的电容的微分的比率为2^K。

如图3所示，本实施例的可调谐电容阵列C1可以是由多个可切换的电容单元C1(1),C1(2),…,和C1(n)构成的电容阵列(例如，符号“n”可表示正整数，如大于1的正整数)，其中，可切换的电容单元C1(1),C1(2),…,和C1(n)的电容可以被独立地控制。此外，图1所示的可切换电容元件C₂可以由本实施例的电容元件C2所代替，而本实施例的可调谐电容阵列C1可以作为图1所示的可切换电容元件C₁的范例。在一些实施例(如在图3所示的实施例)中，若可调谐电容阵列C1诸如上述可切换电容器阵列被设计为具有相同的可切换电容单元，则每单元电容的增量频率(delta frequency)(例如频率差)变化在控制代码(control code)上可以非常均匀(uniform)。

图4示出了根据本发明实施例的微分非线性(为简便起见图4中标注为“DNL”)和控制代码(为简便起见图4中标记为“代码”)之间的关系。如图4所示，遍于控制代码上的微分非线性可以小至0.05LSB，即对应于最低有效位(least significant bit，LSB)的当量(equivalent amount)的5％。

图5为根据本发明第二实施例的LC槽的示意图。差分多阶LC槽300包括两个电感器LP和LN与可切换电容元件C₁和C₂。具体而言，电容器装置可以被放置在每一个可切换电容元件C₁和C₂。电容器装置可根据所提供的数据字通过开关来被开启或关闭。需要注意的是本发明中装置的数量不 受限制。此外，可切换电容元件C₁和C₂可以由其它设计中的模拟电容器来代替。可切换电容元件C₂被耦接于电感器LP的端子N1和电器感LN的端子N3之间。可切换电容元件C₁被耦接于电感器LP的点VxP和电感器LN的点VxN之间，其中点VxP和VxN可以根据设计规格任意选择。电感LP由点VxP分成两个串联的子电感器L₁和L₂，电感器LN由点VxN分成两个串联的子电感器L₃和L₄。注意，电感器LP的电感(在下文中，LP)等于电感器L₁和L₂的电感(在下文中，L₁和L₂)总和；以及电感器LN的电感(在下文中，LN)等于电感器L₃和L₄的电感(在下文中，L₃和L₄)总和。在实践中，点VxP可以是在电感器LP上除了端子N1和另一端子N2之外的任何点；点VxN可以是在电感器LN上除了端子N3和另一端子N4之外的任何点。优选地，L₁比L₂小，以及L₃比L₄小；然而，L₁<L₂和L₃<L₄不是本发明的限制。端子N2被耦接到端子N4。在其他实施例中，可切换电容元件C₂可具有三个端子，其中所述三个端子的第一端子耦接于电感器LP的端子N1，所述三个端子的第二端子耦接于电感器LN的端子N3，以及所述三个端子的第三端子耦接于又一参考电压或悬空(left floating)。此外，电感器LP可以是螺旋线圈，从电感器LP的端子N2至点VxP的距离可以小于从点VxP至电感器LP的端子N1的距离，其中上述距离是沿着所述螺旋线圈的子线圈来测量的；电感器LN可以是另一螺旋线圈，从电感器LN的端子N4至点VxN的距离可以小于从点VxN至电感器LN的端子N3的距离，其中上述距离是沿着所述另一螺旋线圈的子线圈来测量的。

LC槽300能够通过控制可切换电容元件C₂来与不同的系统标准进行操作，然而这可以是在一些应用中的可选功能。因此，可切换电容元件C₂对本发明而言不是必需的。除了LC槽300是用于差分结构，LC槽300的概念类似于LC槽100。本领域的技术人员阅读LC槽100和200的描述后， 应该很容易地理解LC槽300的操作，此处不再赘述细节。

根据本发明第三实施例，LC槽300的可切换电容元件C₁可以由如图6所示的两个可切换电容元件C₃和C₄来代替。在图6中，可切换电容元件C₃和C₄可以被独立调节。换句话说，可不对称地调整LC槽400用于某些用途，例如，抵消(offset)LC槽400的固有失配。在另一实施例中，图6的LC槽400还可包括另一可切换电容元件或者可调谐电容阵列(未绘示)，可被设置为执行校准过程，也可以用于调谐LC槽400的振荡频率f_osc，其一个端子耦接于电感器LN的点VxN与端子N3之间的另一点(未绘示)，另一个端子耦接于参考电压(如接地电压)。在一定的调谐范围，对应于该另一可切换电容元件或可调谐电容阵列的振荡频率f_osc的微分与对应于可切换电容元件C₄的振荡频率f_osc的微分的比率为2^K。本领域的技术人员阅读LC槽100，200和300的描述后，应该很容易地理解LC槽400的操作，此处不再赘述细节。

根据一些实施例，图6所示体系结构中的可切换电容元件C₂的实施方式可能会有所不同。例如，LC槽400的可切换电容元件C₂可以由两个可切换电容元件C₅和C₆代替，并且两个可切换电容元件C₅和C₆的相关连接可以分别类似于图6所示的两个可切换电容元件C₃和C₄的相关连接，例如可切换电容元件C₅可以耦接于端子N1和参考电压(如接地电压)之间以及可切换电容元件C₆可以耦接于端子N3和参考电压(如接地电压)之间。这仅是为了说明的目的，并不意味着是本发明的限制。根据本发明的一些其他实施例，可切换电容元件C₅和C₆的其中之一可以从上述实施例的LC槽中移除。根据本发明的一些其他实施例，LC槽400的可切换电容元件C₂可以由两个可切换电容元件C₅和C₆代替，其中该两个可切换电容元件C₅和C₆可以串联连接在端子N1和N3之间，例如可切换电容元件C₅可以耦接于端子 N1和可切换电容元件C₆之间以及可切换电容元件C₆可以耦接于端子N3和可切换电容元件C₅之间。在另一实施例中，可切换电容元件C₂可以具有三个端子，其中所述三个端子的第一端子耦接于电感器LP的端子N1，所述三个端子的第二端子耦接于电感器LN的端子N3，以及所述三个端子的第三端子耦接于又一参考电压或悬空(left floating)。

根据本发明的一些实施例，可切换电容元件C₅和C₆的至少一部分(例如部分或全部)可以由不可切换的(non-switchable)电容元件(一个或多个)所取代。例如，在这些实施例的LC槽中，图3所示的电容元件C2可作为上述不可切换电容元件(一个或多个)的范例。

图7示出本发明的LC槽的一部分的拓扑。左半部分的线圈502可表示图5和图6所示的电感器LP，以及右半部分的线圈504可表示图5和图6所示的电感器LN。电感器构成八边形的几何形状作为整体。电感器的端口(端子N1和N3)位于八边形的同一角落。在其他实施例中，电感器可以具有其它的多边形形状。更详细地说，点VxP位于左侧线圈502(即电感器LP)的中心点，以及左线圈502被分成两部分，即上部电感器L₁和底部电感器L₂。注意，图7中的上部电感器L₁和底部电感器L₂具有大致相同的长度，但这不是本发明的限制。类似地，点VNx位于右侧线圈504(即，电感器LN)的中心点，以及右侧线圈504被分成两部分，即上部电感器L₃和底部电感器L₄。注意，图7中的上部电感器L₃和底部电感器L₄具有大致相同的长度，但这不是本发明的限制。两个端口及点VxP和VxN还连接到电容器，这没有在图7中示出。

图8为根据本发明第四实施例的LC槽的示意图。差分多阶LC槽600包括两个电感器LP和LN和可切换电容元件C₂、C_C和C_M。具体而言，电容器装置可以被放置在每一个可切换电容元件C₂、C_C和C_M。电容器装置可 根据所提供的数据字通过开关来被开启或关闭。需要注意的是本发明中装置的数量不受限制。此外，可切换电容性元件C₂，C_C和C_M可以由其它设计中的模拟电容器来代替。可切换电容元件C₂被耦接在电感器LP的端子N1和电感器LN的端子N3之间。可切换电容元件C_C被耦接在电感器LP的点VxP2和电感器LN的点VxN2之间，其中该点VxP2和VxN2可以根据设计规格任意选择。可切换电容元件C_M被耦接在电感器LP的点VxP和电感器LN的点VxN之间，其中该点VxP和VxN可以根据设计规格任意选择。电感器LP由点VxP和VxP2分成三个串联的子电感器L₁，L₂和L₃，以及电感器LN由点VxN和VxN2分成三个串联的子电感器L₄，L₅和L₆。注意，电感器LP的电感(在下文中，LP)等于电感器L₁，L₂和L₃的电感(在下文中，L₁，L₂和L3)总和；以及电感器LN的电感(在下文中，LN)等于电感器L₄，L₅和L₆的电感(在下文中，L₄，L₅和L₆)总和。在实践中，点VxP和VxP2可以是电感器LP上除了端子N1和另一端子N2之外的任何点；点VxN和VxN2可以是电感器LN上除了端子N3和另一端子N4之外的任何点。优选地，L₁小于L₂和L₃的和，以及L₄小于L₅和L₆的和；然而，L₁<L₂+L₃和L₄<L₅+L₆不是本发明的限制。端子N2被耦接到端子N4。

LC槽600能够通过控制可切换电容元件C₂来与不同的系统标准进行操作，然而这可以是在一些应用中的可选功能。因此，可切换电容元件C₂对本发明而言不是必需的。除了LC槽600多一个可切换电容元件，LC槽600的概念类似于LC槽300。根据上文所述的等式(2)，(4)和表1，相较于可切换电容元件C_M，可切换电容元件C_C对应于较大的例如，在一定调谐范围，对应于可切换电容元件C_C的为对应于可切换电容元件C_M的的四倍。在一个范例中，可切换电容元件C_C可以被用 于校准过程以及可切换电容元件C_M可被用于频率调谐(frequency tuning)。本领域的技术人员应该容易理解，可以容易地利用校准结果来通过可事先预测的映射关系对可切换电容元件C_M的行为进行建模。以这种方式，当需要LC槽600被校准为特定调谐范围时，通过使用可切换电容元件C_C，而不是可切换电容元件C_M，该过程将有效得多。

在另一范例中，可切换电容元件C_C还可以用于与可切换电容元件C_M联合调谐频率。例如，在一定的调谐范围，对应于可切换电容元件C_C的比对应于可切换电容元件C_M的大2^K倍。然后，提供给LC槽600的第1^st-k^th比特的数据字可以被发送到可切换电容元件C_M；以及大于k^th比特的数据字可以被发送到可切换电容元件C_C。以这种方式，可切换电容元件C_M和可切换电容元件C_C两者都可收缩到更小的尺寸。总之，所公开的LC槽600不仅具有抗制造工艺中变化的能力，而且还具有快速校准能力。需要注意的是，可切换电容元件C_C可以被设计为如图6所示的可切换电容元件C₃和C₄，可切换电容元件C_M也可以如此，以便非对称地调整LC槽600用于某些用途，如上所述。

图9示出本发明LC槽的一部分的另一拓扑。在图9中，第一和第二耦合线圈分别由第一螺旋线圈702和第二螺旋线圈704(由半导体衬底支持)形成，其中第一和第二线圈702和704是交错的(interlaced)。第一螺旋线圈702表示于图8所示的电感器LP，以及第二螺旋线圈704表示图8所示的电感器LN。电感器构成八边形的几何形状作为整体。电感器的端口(端子N1和N3)位于八边形的同一角落。在其他实施例中，电感器可以具有其它的多边形形状。更详细地说，点VxP和VxP2位于对应于电感器LP的第一螺旋线圈702的不同点，且第一螺旋线圈702被分成三个部分，即，电感器L₁，L₂和L₃。注意，在本发明中点VxP和VxP2的位置没有限制。类 似地，点VxN和VxN2位于对应于电感器LN的第二螺旋线圈704的不同点，且电感LN被分成三个部分，即，电感器L₄、L₅和L₆。注意，本发明中点VxN和VxN2并没有局限。两个端口和点VxP、VxP2、VxN及VxN2进一步连接到电容器，这没有示于图9中。

具体地，可以设想，上述本发明的概念可以由半导体制造商应用于任何集成电路。进一步设想，例如，半导体制造商可以在独立的设备(stand-alone device)、或专用集成电路(application-specific integrated circuit，ASIC)和/或任何其他子系统元件的设计中利用本发明的概念。

虽然本发明已经结合一些实施例进行了描述，但并不意为限于本文的特定形式。确切的说，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。另外，尽管特征可能看起来是结合特定实施例来描述的，但是本领域技术人员将认识到，所描述实施例的各种特征可以根据本发明进行组合。在权利要求书中，术语“包括”不排除其他元件或步骤的存在。

此外，尽管单独地列出，但多个装置、元件或方法步骤可以由例如单个单元(single unit)或处理器或控制器来实现。另外，尽管各个特征可以包括在不同的权利要求中，但这些有可能被有利地组合，并且包括在不同权利要求中并不意味着特征的组合是不可行的和/或有利的。此外，在一个类别的权利要求中包含的特征并不意味着限于该类别，而是表示该特征视情况而定同样适用于其它权利要求类别。另外，单数引用并不排除多个。因此，“一”、“一个”、“第一”、“第二”等的引用不排除多个。

综上所述，已经对用于谐振器的改进的LC槽进行了说明，其中现有技术的上述缺点得到大幅度减轻。

本领域的技术人员将很容易地观察到，在保持本发明的教导同时可以对装置和方法做出许多修改和变化。因此，上述公开应当被解释为仅由所附权 利要求书的边界和范围界定。