射频振荡器

技术领域

本发明涉及射频(RF)振荡器的领域。

背景技术

射频振荡器广泛用于各种应用中，例如多模多频段应用。射频振荡器通常包括作为频率选择性元件的谐振器电路，其中谐振器电路包括电感器和电容器。连接电感器和电容器，以使它们处于特定谐振频率下的谐振中。为了提供射频振荡器的高调谐范围，已应用不同的方法。

提供增大的调谐范围的一种例示性方法是采用两个单独的射频振荡器，它们具有单独的谐振器电路并且使用高频复用器，这可使功率消耗和底噪增大，并且可能会需要大管芯面积。在法诺里(L.Fanori)等人的“具有同心8字形线圈的2.4GHz到5.3GHz双核CMOSVCO”中，描述了一种具有单独谐振器电路的拓扑，所述文章见于2013年17日至21日的ISSCC数字科技论文(ISSCC Dig.Tech.Papers)，第370页到372页。

另一例示性方法是基于射频振荡器内高阶LC谐振器电路的偶数和奇数谐振模式之间的切换。可实现谐振分离度在不同模式中达到最高，但是这会导致LC谐振器电路的尺寸较大。在李(G.Li)等人的“基于模转换的分布式双频段LC振荡器”中，描述了使用模转换的拓扑，所述文章见于2011年1月IEEE TMTT第59卷第1期，第99到107页。

提供高调谐范围的普通射频振荡器遭受底噪增大和/或尺寸增大的问题，当实施为半导体衬底上的射频集成电路(radio frequency integrated circuit，RFIC)时尤其如此。

发明内容

本发明的目标为提供高效射频振荡器。

此目标通过独立权利要求项的特征实现。进一步的实施形式通过附属权利要求项、描述以及图式清楚可见。

本发明是基于以下发现：可以采用谐振器电路，其中谐振器电路在差模中受激励时以及在共模中受激励时产生谐振。当在差模中受激励和在共模中受激励时，谐振器电路可具有不同的谐振频率，其中差模谐振频率和共模谐振频率可为可调谐的。这种差别可能是由于当谐振器电路在差模或共模中受激励时的不同的磁耦合或电感耦合系数km。具体来说，在差模中，耦合系数可能较高，而在共模中，耦合系数可能较低。

谐振器电路在差模中通过第一激励电路激励，并且在共模中通过第二激励电路激励。因此，提供了在差模谐振频率下振荡的差模振荡器信号和在共模谐振频率下振荡的共模振荡器信号。谐振器电路和第一激励电路可被布置以形成交叉耦合的振荡器或变压器耦合的振荡器。谐振器电路和第二激励电路可被布置以形成考毕兹振荡器。因此，射频振荡器采用单个谐振器电路或槽电路。此外，使用共模振荡可获得额外的调谐范围，且不损失任何面积或降低差模振荡性能。

提供了射频振荡器和谐振器电路的高效结构，其允许射频振荡器的高调谐范围，同时具有较小的尺寸。射频振荡器和谐振器电路可为紧凑型。谐振器电路和射频振荡器适于实施为半导体衬底上的射频集成电路(radio frequency integrated circuit，RFIC)。

根据第一方面，本发明涉及射频振荡器，所述射频振荡器包括：谐振器电路，当所述谐振器电路在差模中受激励和所述谐振器电路在共模中受激励时，其产生谐振，其中谐振器电路在差模中受激励时具有差模谐振频率，并且其中谐振器电路在共模中受激励时具有共模谐振频率；第一激励电路，其用于在差模中激励谐振器电路以获得在差模谐振频率下振荡的差模振荡器信号；以及第二激励电路，其用于在共模中激励谐振器电路以获得在共模谐振频率下振荡的共模振荡器信号。因此，提供高效射频振荡器。

射频振荡器可为提供差模振荡器信号和共模振荡器信号的双模射频振荡器。

所述谐振器电路可为槽电路。谐振器电路可用作射频振荡器内的频率选择性元件。当在差模中和在共模中受激励时，谐振器电路可产生谐振。

在根据第一方面本身的射频振荡器的第一实施形式中，谐振器电路包括变压器、初级电容器和次级电容器，其中所述变压器包括初级绕组和次级绕组，所述初级绕组与所述次级绕组以电感方式耦合，其中初级电容器连接到初级绕组，初次电容器和初级绕组形成初级电路，并且其中次级电容器连接到次级绕组，次级电容器和次级绕组形成次级电路。因此，在射频振荡器内使用高效谐振器电路。

差模谐振频率可取决于初级绕组的电感、次级绕组的电感、初级电容器的电容和次级电容器的电容。

共模谐振频率可取决于初级绕组的电感和初级电容器的电容。共模谐振频率可能不取决于次级绕组的电感和次级电容器的电容。

在根据第一方面的第一实施形式的射频振荡器的第二实施形式中，谐振器电路具有在共模中受到初级电路的激励时的共模谐振频率，并且谐振器电路具有在差模中受到初级电路的激励时的差模谐振频率。因此，可高效地提供差模振荡器信号和共模振荡器信号。

初级绕组和次级绕组可被布置以当初级电路在差模中受激励时提供强电感耦合，并且当初级电路在共模中受激励时提供弱电感耦合。

在根据第一方面的第一实施形式或第二实施形式的射频振荡器的第三实施形式中，变压器的初级绕组包括一个匝，变压器的次级绕组包括两个匝。因此，提供具有面积效率的谐振器电路。

当在1:2变压器内，初级绕组在差模中受激励时，在次级绕组处所诱发的电流可具有相同方向，从而产生强耦合系数。初级绕组的共模激励可在次级绕组处诱发电流，所述电流以相反方向循环，从而彼此抵消而产生弱耦合系数。

2:1变压器可具有相同特性，且可替换地使用。1:2变压器和2:1变压器可能是具有此性质的最小尺寸的变压器，因此具有面积效率。初级电容器可包括一对单端电容器，以用于共模振荡的高效布建。

在根据第一方面的第一实施形式到第三实施形式的射频振荡器的第四实施形式中，变压器的初级绕组和/或变压器的次级绕组是平面的。因此，提供具有面积效率的谐振器电路。

在根据第一方面的第一实施形式到第四实施形式的射频振荡器的第五实施形式中，变压器的初级绕组与变压器的次级绕组布置在相同平面上。因此，高效地提供差模中的高耦合系数和共模中的低耦合系数。

初级绕组和次级绕组的不同平面可用于产生减小了的尺寸。在此情况下，差模中的耦合系数对于布置在相同平面上的变压器的初级绕组与次级绕组可能不一样高。此外，布置在较低金属平面上的绕组可具有减小了的品格系数Q，并且可产生降低了的相位噪声性能。因为初级绕组与次级绕组布置在相同平面上，因此高效地提供差模中的高耦合系数和共模中的低耦合系数。

变压器的初级绕组和/或变压器的次级绕组可包括布置在不同平面上的桥接部分。

在根据第一方面的第一实施形式到第五实施形式的射频振荡器的第六实施形式中，变压器的初级绕组和/或变压器的次级绕组连接到恒定电压源或地电位。因此，实现初级绕组和/或次级绕组的分接。初级绕组和次级绕组两者可分别连接到恒定电压源，以便实现射频振荡器的高效启动。

初级绕组和/或次级绕组的分接可为初级绕组和/或次级绕组的对称中心分接。初级绕组的中心分接可降低共模谐振频率，并且可增大差模振荡频率与共模振荡频率之间的重叠。这可能不会影响到射频振荡器的调谐范围。

在根据第一方面的第一实施形式到第六实施形式的射频振荡器的第七实施形式中，初级电路的初级电容器包括一对单端电容器。因此，实现对初级电路的地电位的参考。

在根据第一方面的第一实施形式到第七实施形式的射频振荡器的第八实施形式中，次级电路的次级电容器包括一对差分电容器。因此，避免了对次级电路的地电位的参考，从而使次级绕组对共模激励的的影响最小化。所述一对差分电容器可为一对平衡电容器。

在根据第一方面的第一实施形式到第八实施形式的射频振荡器的第九实施形式中，初级电容器和/或次级电容器包括可变电容器，具体地说，包括数字可调电容器。因此，可高效地实现差模谐振频率和/或共模谐振频率的变化。

在根据第一方面的第一实施形式到第九实施形式的射频振荡器的第十实施形式中，初级电容器并联连接到初级绕组，和/或次级电容器并联连接到次级绕组。因此，初级电路和次级电路实现为并联电路。

在根据第一方面本身或根据第一方面的任一前述实施形式的射频振荡器的第十一实施形式中，第一激励电路和/或第二激励电路包括至少一个晶体管，具体地说，包括至少一个场效应晶体管，以激励谐振器电路。因此，采用有源装置以激励谐振器电路。晶体管可为跨导gm晶体管。为实现交叉耦合的结构，可采用至少两个晶体管。晶体管可为金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET)。

在根据第一方面本身或根据第一方面的任一前述实施形式的射频振荡器的第十二实施形式中，第一激励电路包括晶体管，所述晶体管用于控制，具体地说，用于启动和撤销启动在差模中对谐振器电路的激励，和/或第二激励电路包括晶体管，所述晶体管用于控制，具体地说，用于启动和撤销启动在共模中对谐振器电路的激励。因此，可高效地控制在差模和/或共模中对谐振器电路的激励。

在根据第一方面本身或根据第一方面的任一前述实施形式的射频振荡器的第十三实施形式中，谐振器电路和第一激励电路被布置以形成交叉耦合的振荡器或变压器耦合的振荡器，从而获得差模振荡器信号。因此，实现差模中的高效激励。

在根据第一方面本身或根据第一方面的任一前述实施形式的射频振荡器的第十四实施形式中，谐振器电路和第二激励电路被布置以形成考毕兹振荡器，从而获得共模振荡器信号。因此，实现共模中的高效激励。

在根据第一方面的第十四实施形式的射频振荡器的第十五实施形式中，考毕兹振荡器包括第一辅助振荡器和第二辅助振荡器，所述第一辅助振荡器与所述第二辅助振荡器可在频率和相位方面同步。因此，实现了第一辅助振荡器和第二辅助振荡器之间的注入锁定。

由考毕兹振荡器组成的这两个辅助振荡器可经由开关被锁定在一起，所述开关通过例如MOS晶体管的晶体管来实现。此开关可切断，并且当振荡器受差模激励而工作时，可断开两个辅助振荡器的输出。例如，当考毕兹振荡器切断，并且变压器耦合的振荡器接通时，可提供差模振荡。

在根据第一方面的第十四实施形式或第十五实施形式的射频振荡器的第十六实施形式中，考毕兹振荡器是单端振荡器。因此，实现对地电位的参考。

根据第二方面，本发明涉及使用射频振荡器提供差模振荡器信号和共模振荡器信号的方法，所述射频振荡器包括谐振器电路、第一激励电路和第二激励电路，当所述谐振器电路在差模中受激励和所述谐振器电路在共模中受激励时，所述谐振器电路产生谐振，其中谐振器电路在差模中受激励时具有差模谐振频率，并且其中谐振器电路在共模中受激励时具有共模谐振频率，所述方法包括通过第一激励电路在差模中激励谐振器电路，以获得在差模谐振频率下振荡的差模振荡器信号，以及通过第二激励电路在共模中激励谐振器电路，以获得在共模谐振频率下振荡的共模振荡器信号。因此，高效地提供差模振荡器信号和共模振荡器信号。

可通过射频振荡器执行所述方法。所述方法的另外特征直接由射频振荡器的功能性产生。

本发明可以使用硬件和/或软件实施。

附图说明

本发明的实施例将结合以下附图进行描述，其中：

图1展示根据实施例的射频振荡器的图式；

图2展示根据实施例的谐振器电路的图式；

图3展示根据实施例的谐振器电路的图式；

图4展示根据实施例的谐振器电路的变压器的图式；

图5展示根据实施例的谐振器电路的输入阻抗响应的图式；

图6展示根据实施例的单端电容器的图式；

图7展示根据实施例的差分电容器的图式；

图8展示根据实施例的输入电感响应和耦合系数响应的图式；

图9展示根据实施例的射频振荡器的图式；以及

图10展示根据实施例的差模振荡器信号和共模振荡器信号的图式。

具体实施方式

针对多模多频段蜂窝式应用的射频振荡器的设计可能需要高调谐范围(tuningrange，TR)，同时确保在大范围的频带和信道中的低相位噪声(phase noise，PN)。谐振器电路的低品格系数Q，例如，包括用于实现宽调谐范围的开关电容器网络，可能会限制射频振荡器的相位噪声性能。

本发明的实施例是基于通过引入共模振荡而增大射频振荡器的调谐范围，所述射频振荡器具有单个谐振器电路。共模振荡增大射频振荡器的调谐范围，且不损失任何管芯面积和/或相位噪声。射频振荡器可被看作是具有单个谐振器电路的双模射频振荡器。谐振器电路还可被称为槽电路。

图1展示根据实施例的射频振荡器100的图式。射频振荡器100包括：谐振器电路101，当所述谐振器电路101在差模中受激励和所述谐振器电路101在共模中受激励时，其产生谐振，其中谐振器电路101在差模中受激励时具有差模谐振频率，并且其中谐振器电路101在共模中受激励时具有共模谐振频率；第一激励电路103，其用于在差模中激励谐振器电路101，以获得在差模谐振频率下振荡的差模振荡器信号；以及第二激励电路105，其用于在共模中激励谐振器电路101，以获得在共模谐振频率下振荡的共模振荡器信号。

在实施例中，谐振器电路101包括变压器、初级电容器和次级电容器，其中所述变压器包括初级绕组和次级绕组，所述初级绕组与所述次级绕组以电感方式耦合，其中初级电容器连接到初级绕组，初级电容器和初级绕组形成初级电路，并且其中次级电容器连接到次级绕组，次级电容器和次级绕组形成次级电路。

图2展示根据实施例的谐振器电路101的图式。当谐振器电路101在差模中受激励和谐振器电路101在共模中受激励时，谐振器电路101产生谐振，其中谐振器电路101在差模中受激励时具有差模谐振频率，并且其中谐振器电路101在共模中受激励时具有共模谐振频率。

谐振器电路101包括变压器201、初级电容器207和次级电容器209，其中变压器201包括初级绕组203和次级绕组205，所述初级绕组203与所述次级绕组205以电感方式耦合，其中初级电容器207连接到初级绕组203，初级电容器207和初级绕组203形成初级电路，并且其中次级电容器209连接到次级绕组205，次级电容器209和次级绕组205形成次级电路。

谐振器电路101在共模中受到初级电路的激励时具有共模谐振频率。谐振器电路101在差模中受到初级电路的激励时具有差模谐振频率。

在下文中，描述射频振荡器100的另外实施形式和实施例。

图3展示根据实施例的谐振器电路101的图式。谐振器电路101包括变压器201、初级电容器207和次级电容器209，其中变压器201包括初级绕组203和次级绕组205，所述初级绕组203与所述次级绕组205以电感方式耦合，其中初级电容器207连接到初级绕组203，初级电容器207和初级绕组203形成初级电路，并且其中次级电容器209连接到次级绕组205，次级电容器209和次级绕组205形成次级电路。

初级电路的初级电容器207包括一对单端电容器301、303。次级电路的次级电容器209包括一对差分电容器305、307。k

初级绕组203的电感可被称为L

替代地，初级绕组203的电感可被称为2L

图4展示根据实施例的谐振器电路101的变压器201的图式。变压器201包括初级绕组203和次级绕组205，所述初级绕组203与所述次级绕组205以电感方式耦合。初级绕组203包括一个匝。次级绕组205包括两个匝，这实现了1:2的匝比率。此图式示出了在差模(differential mode，DM)中受激励时和在共模(common mode，CM)中受激励时在变压器201内所诱发的电流。

本发明的实施例是根据基于变压器的谐振器电路101在差模激励时与在共模激励时的不同谐振频率。不同的谐振频率可能是由于当变压器201的初级绕组203通过差模或共模信号激励时的不同电感耦合系数k

在差模激励时在次级绕组205处所诱发的电流可以相同方向循环，并且可提供变压器201的初级绕组203与次级绕组205之间的高耦合系数k

另一方面，在共模激励时在次级绕组205处所诱发的电流可以相反方向循环，并且可彼此抵消。因此，在共模中，耦合系数k

差模谐振频率可确定为ω

在共模中与初级绕组203相关联的电感L

图5展示根据实施例的谐振器电路101的输入阻抗响应501的图式。此图式示出了差模谐振频率和共模谐振频率。

谐振器电路101的输入阻抗表示为Z

假设初级电容器207或次级电容器209的最大电容与最小电容的比率C

为了避免差模中的调谐范围与共模中的调谐范围之间的任何空隙，可存在一定重叠。这可意味着，至少最低共模谐振频率ω

利用这些关系式，谐振频率可覆盖倍频程，同时从差模振荡变成共模振荡。实际上，由于寄生效应和与控制差模谐振频率和共模谐振频率之间的精确重叠相关联的难题，比率C

在实施例中，基于以下等式实现射频振荡器的倍频程调谐范围：

C

其中C

图6展示根据实施例的单端电容器301、303的图式。单端电容器301、303包括电容器601、电容器603、晶体管605、晶体管607、电阻器609、电阻器611、反相器613和反相器615。单端电容器301、303布置在谐振器电路101的初级电路内。

通过应用数字交换信号b

图7展示根据实施例的差分电容器305、307的图式。差分电容器305、307包括电容器701、电容器703、晶体管705、电阻器707、电阻器709、反相器711和反相器713。差分电容器305、307布置在谐振器电路101的次级电路内。

通过应用数字交换信号b

图8展示根据实施例的输入电感响应801和耦合系数响应803的图式。

输入电感801是指变压器201的初级绕组203和次级绕组205的电感。电感2L

耦合系数响应803是指变压器201在差模中和在共模中受激励时的耦合系数。差模中的耦合系数k

图9展示根据实施例的射频振荡器100的图式。射频振荡器100包括：谐振器电路101，当所述谐振器电路101在差模中受激励和所述谐振器电路101在共模中受激励时，其产生谐振，其中谐振器电路101在差模中受激励时具有差模谐振频率，并且其中谐振器电路101在共模中受激励时具有共模谐振频率；第一激励电路103，其用于在差模中激励谐振器电路101，以获得在差模谐振频率下振荡的差模振荡器信号；以及第二激励电路105，其用于在共模中激励谐振器电路101，以获得在共模谐振频率下振荡的共模振荡器信号。

谐振器电路101形成如结合图3所描述的谐振器电路101的实施方案。第一激励电路103包括晶体管901、晶体管903、尾晶体管(tail transistor)905和尾电容器(tailcapacitor)907。第二激励电路105包括第一辅助振荡器909，所述第一辅助振荡器909包括晶体管911、电容器913、晶体管915和电容器917。第二激励电路105进一步包括第二辅助振荡器919，所述第二辅助振荡器919包括晶体管921、电容器923、晶体管925和电容器927。

谐振器电路101和第一激励电路103被布置以形成变压器耦合的振荡器，从而获得差模振荡器信号。谐振器电路101和第二激励电路105被布置以形成考毕兹振荡器，从而获得共模振荡器信号。

第一辅助振荡器909与第二辅助振荡器919通过晶体管929连接。第一辅助振荡器909与第二辅助振荡器919经由晶体管929在频率和相位方面同步。第一辅助振荡器909可注入锁定于第二辅助振荡器919上。

例如，通过在第一激励电路103内使用交叉耦合的gm对结构或变压器耦合的结构，可实现在差模中激励谐振器电路101，具体地说，激励图2的变压器201，以获得在差模谐振频率下振荡的差模振荡器信号。可使用单独的第二激励电路105以在共模中激励谐振器电路101。因此，可提供就差模振荡和共模振荡而言的双模振荡。

图9中描绘所描述的结构。根据变压器耦合的结构来构造射频振荡器100的第一激励电路103，以结合谐振器电路101获得差模振荡。射频振荡器100的第二激励电路105被构造成考毕兹振荡器以及谐振器电路101。考毕兹振荡器为单端的。考毕兹振荡器包括两个辅助振荡器909、919，具体地说，包括两个核心，其中辅助振荡器909、919通过晶体管929或M7型开关来注入锁定。辅助振荡器909、919两者可在相同频率但略微不同的相位下开始振荡。随后，辅助振荡器909、919可锁定，并且它们之间可能不存在相移。因此，在共模中激励谐振器电路101，具体地说，激励变压器，以获得在共模谐振频率下振荡的共模振荡器信号。两个辅助振荡器909、919的注入锁定可引起相位噪声性能提高3dB。射频振荡器100可展现具有两个不同区域的相位噪声特性。

当在差模中激励时，电压V

可根据以下等式确定差模谐振频率ω

其中C

为了放宽例如考毕兹振荡器的启动条件，C

图10展示根据实施例的差模振荡器信号1001和共模振荡器信号1003的图式。如图9中所示，描绘探头位置GA、GB、DA和DB处的差模振荡器信号1001和共模振荡器信号1003。差模振荡器信号1001和共模振荡器信号1003随时间推移为正弦信号。

本发明的实施例在差模激励与共模激励时使用1:2变压器201的不同特性，并且通过使用相同的谐振器电路101使用额外的共模振荡器信号和差模振荡器信号，因此暗示不会损失任何管芯面积。此外，由于差模与共模启动电路可具有相同的输出端，因此可能不需要复用，并且因此没有底噪劣化。