用于压控振荡器的系统和方法
【技术领域】
[0001] 本公开通常涉及一种电子装置，并且更具体地涉及一种用于振荡器的系统和方 法。
【背景技术】
[0002] 由于在诸如硅锗（SiGe)之类的低成本半导体技术以及精细几何结构互补金属氧 化物半导体（CMOS)工艺中的快速进步，过去几年来毫米波频段中的应用已经广受关注。高 速双极和金属氧化物半导体（M0S)晶体管的可用性已经导致对在60GHz、77GHz和80GHz甚 至超过100GHz的mm波应用的集成电路需求增长。这些应用包括例如汽车雷达和多吉比特 通信系统。
[0003] 在一些雷达系统中，通过发射调频信号、接收调频信号的反射以及基于调频信号 的发射与接收之间的延时和/或频率差而确定距离从而确定雷达与目标之间的距离。雷达 系统的分辨率、精度和灵敏度可以部分地取决于雷达的频率发生电路装置的相位噪声性能 和频率灵敏度，雷达的频率发生电路装置通常包括RF振荡器以及控制RF振荡器频率的电 路装置。影响相位噪声性能的一个因素是由RF振荡器所产生的振荡信号的幅度。然而，在 许多RF振荡器中，用于产生振荡的有源器件的饱和度可以限制振荡信号的幅度。
【发明内容】
[0004] 根据一个实施例，一种振荡器包括储能电路（tankcircuit)以及具有親合至储能 电路的多个交叉耦合的混合晶体管的振荡器核心电路。多个混合晶体管中的每一个包括双 极晶体管以及具有耦合至双极晶体管基极的源极的场效应晶体管（FET)。
【附图说明】
[0005] 为了更完整理解本发明及其优点，现在结合附图参考以下说明书，其中：
[0006] 图1示出了传统的振荡器；
[0007] 图2示出了实施例的振荡器；
[0008] 图3示出了根据另一实施例的振荡器；
[0009] 图4a-图4b示出了根据其他实施例的振荡器；
[0010] 图5示出了使用实施例振荡器的雷达系统；
[0011] 图6示出了实施例方法的流程图；以及
[0012] 图7示出了可以用于实施实施例振荡器中电流源的示例性电流源。
[0013] 不同附图中对应的数字和符号通常涉及对应的部件，除非另外给出相反指示。绘 制附图以清晰地示出优选实施例的相关特征方面，并且无需按照比例绘制。为了更清晰地 示出某些实施例，指示了相同结构、材料或工艺步骤的字母可以跟随在附图编号之后。
【具体实施方式】
[0014] 以下详细讨论本发明优选实施例的制造和使用。然而，应该知晓的是，本发明提供 了可以实施在广泛具体环境中的许多可应用的创新概念。所述具体实施例仅是用以制造和 使用本发明的具体方式的示意说明，并且并未限定本发明的范围。
[0015] 将关于用于振荡器的具体环境、系统和方法的优选实施例来描述本发明，振荡器 诸如压控振荡器（VC0)。本发明也可以适用于使用RF振荡器的系统和应用，诸如通用雷达 系统和无线通信系统。
[0016] 在本发明的一些实施例中，低相位噪声振荡器利用了使用混合器件实施的振荡 器核心，混合器件包括双极晶体管以及诸如金属氧化物半导体FET之类的场效应晶体管 (FET)JET的源极耦合至混合器件中双极晶体管的基极以帮助防止双极晶体管进入饱和状 ??τ〇
[0017] 通常，可以使用Leeson等式试探地将RF振荡器的相位噪声描述为频率偏移Δω 的函数：
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[0019] 其中F是振荡器电路内有源器件的噪声因子，k是玻尔兹曼常数，Τ是开氏温度， Pslg是振荡器的储能器或谐振器中信号功率，ω。是对于闪烁噪声的角频率，Q是振荡器的储 能器或谐振器的品质因子，以及Αω表示频率偏移。从Leeson方程可以看到，相位噪声反 比于信号功率Pslg。因此，在大多数实施例中，如果振荡幅度增大，振荡器的相位噪声可以减 小。
[0020] 图1示出了传统的VC0 100,其包括双极晶体管Qa和Qb，以及使用电感器La和Lb、 电容器Cla和C2b而实施的储能器电路。在操作期间，晶体管Qa和Qb综合合成负性电阻， 其抵消中和了储能器中寄生电阻，并且向储能器供能以便于维持振荡。电容器C2a和C2b 用于偏置晶体管Qa和Qb的基极。然而，当偏置电流增大时，晶体管Qa和Qb将进入饱和并 且限制振荡幅度。
[0021] VC0〗00的振荡颇率沂似为：
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[0023] 其中L是电感La和Lb的总和，以及C是串联耦合的电容器Cta和Ctb的电容。
[0024] 图2示出了根据本发明实施例的振荡器200。在此，NM0S晶体管Ma和Mb的源极 分别耦合至晶体管Qa和Qb的基极。在所示实施例中，NM0S晶体管Ma和Mb的源极分别直 接连接至双极晶体管Qa和Qb的基极。然而，在备选实施例中，其他元件可以耦合在NM0S 晶体管Ma和Mb的源极、与双极晶体管Qa和Qb的基极之间。因为NM0S晶体管Ma和Mb帮 助防止晶体管Qa和Qb进入饱和状态，所以可以支持更尚的振荡幅度。此外，M0S晶体管在 更高漏极电流时具有更高栅极-源极电压的事实也有助于支持更高的振荡幅度和更低的 相位噪声。
[0025] 如图所示，双极晶体管Qa和NM0S晶体管Ma形成了一个混合器件，以及双极晶体 管Qb和NM0S晶体管Mb形成了另一混合器件，两个混合器件相互交叉耦合。此外，NM0S晶 体管Ma的漏极耦合至双极晶体管Qa的集电极，以及NM0S晶体管Mb的漏极耦合至双极晶 体管Qb的漏极。在一些实施例中，除了npn双极晶体管之外的其他晶体管类型可以用于实 施双极晶体管Qa和Qb，以及除了NMOS晶体管之外的晶体管类型可以用于实施FETMa和 Mb。例如，在一些实施例中，晶体管Qa和Qb可以使用pnp双极晶体管实施，并且晶体管Ma 和Mb可以使用PMOS晶体管实施。在其他备选实施例中，Ma和Mb的体节点可以连接至它 们相应源极节点而非衬底（NMOS)或电源节点VCC(PMOS)。
[0026] 在实施例中，可以使用各种类型电感器实施电感器La和Lb，诸如分立电感器、片 上电感器、片上变压器、以及传输线元件。片上电感器可以包括例如在集成电路的一个或多 个金属层中制造的螺旋电感器。可以使用例可切换电容器网络、变容器和/或如本领域已 知的其他可调电容器电路和系统而实施可调电容器Cta和Ctb。在一些实施例中，振荡器 200可以实施作为VC0,例如通过将可调电容的电容器Cta和Ctb实施作为变容二极管或者 具有由电压可控电容的M0S-变容器。备选的，具有可调电容的其他结构或部件可以用于实 施电容器Cta和Ctb。
[0027] 在实施例中，在耦合至振荡器200的储能器电路的节点Out和Outm处差分地获取 振荡器200的输出。在一些实施例中，可以使用本领域已知的高频缓冲器电路缓冲这些节 点。备选的，可以在双极晶体管Qa和Qb的发射极处以单端方式获取倍频。
[0028] 图3示出了另一实施例振荡器300,其中NM0S晶体管Ma和Mb操作作为源极跟随 器。在此，NM0S晶体管Ma和Mb的漏极连接至电源节点VCC，而非如图2所示连接至双极晶 体管Qa和Qb的相应集电极。该源极跟随器配置也有助于支持更高振荡幅度和更低相位噪 声。
[0029] 图4a示出了实施例VC0 400,其中使用变容器402和404实施可调电容，其可以 实施作为具有反比于交叉施加在其端子中电压的电容的二极管。该所施加电压的减小可以 是由于反向偏置二极管中耗尽区域宽度的增大所致，该增大引起其电容对应的减小。在实 施例中，通过调整Vtune的电压而调整变容器402和404的电容。在一个实施例中，变容器 402和404的电容随着电压Vtune增大而减小。如图4a进一步所示，电阻器RE耦合至双极 晶体管Qa和Qb的发射极以用于实施图2中所示的电流源IE。
[0030] 在一些实施例中，电感器La和Lb可以具有可变或可调的电感，并且可以替代或 者除了变容器402和404之外用于调节储能器电路的频率。在一些实施例中，可以通过使 用与电感性元件耦合的切换了电路中电感性元件的开关、和/或通过使用本领域已知的其 他可调电感器结构而使得电感器La和Lb可调。例如，电感器La和Lb的电感可以由差 分电压控制电感器而可调，这在M.Tiebout,"ACMOSfullyintegrated1GHzand2GHz dualbandVC0withvoltagecontrolledinductor,'，inProc.EuropeanSolid-State CircuitsConf. (ESSCIRC)，2002,pp. 799 - 802中描述，该文献在此通过全文引用方式并入 本文。在另外其他实施例中，可以例如使用Kwok,J.R.Long和J.J.Pekarik，"A23-t〇-29GHz differentiallytunedvaractorlessVC0in0· 13μmCMOS,'，inIEEEInt.Solid-State CircuitsConf.Tech.Dig.，Feb. 11 - 15, 2007,pp. 194 - 596 中所述的无变容器结构而调整 储能器，在此通过全文引用方式并入本文。应该知晓，使用可变电感、可变电容和/或备选 的储能调节技术可以适用于所公开的任何实施例。
[0031] 在备选实施例中，可以使用如图4b中所示耦合至电源VCC的电流源1C来提供用 于双极晶体管Qa和Qb的电流。电阻器RE可以可选地耦合在双极晶体管Qa和Qb的发射 极与接地之间。备选地，可以省略RE。
[0032] 图5示出了单片雷达发射系统500,其包括升频器502、功率放大器504和频率发 生电路506。如图所示，升频器502将基带信号BB升频至更高频率信号，该更高频率信号随 后由功率放大器504放大并且在管脚OUT上输出。在一些实施例中，基带信号BB可以是扫 描频率或者雷达系统中使用的其他信号类型。频率发生电路506基于管脚REF上参考频率 而产生本地振荡器信号L0,参考频率可以使用例如晶体振荡器产生。在实施例中，使用具有 相位探测器512、环路滤波器510、VC0 508和分压器514的锁相环（PLL)而实施频率发生 电路506。