[发明专利]抽头式电感器压控振荡器

说明书

一种压控振荡器包括谐振器和放大器。所述谐振器包括电容器件和电感器件。所述电感元件包括构成物理环路的多个导电段。所述电感元件在所述物理环路上具有到所述多个导电段的电气连接装置，所述多个导电段构成至少一个电气环路，所述至少一个电气环路置于由所述物理环路构成的内部空间内。所述放大器包括输入端和输出端，所述输入端耦合到构成第一阻抗的第一导电段，所述输出端耦合到构成第二阻抗的第二导电段。

本申请要求2015年3月16日递交的发明名称为“抽头式电感器压控振荡器(TappedInductor Voltage Controlled Oscillator)”的第14/659,244号美国非临时专利申请案在先申请优先权，该在先申请的全部内容以引用方式并入本文本中。

技术领域

本发明大体涉及一种压控振荡器(voltage controlled oscillator，VCO)，更具体地，涉及一种使用集成抽头式电感器的VCO，其拓扑和布局新颖独特，用以改进噪声性能并降低功耗。

背景技术

随着蜂窝、无线局域网(wireless local area network，WLAN)、卫星通信，全球定位系统(global positioning system，GPS)等无线通信系统的发展，对尺寸小、成本低、频率高的产品的需求也在不断增加。在这方面，压控振荡器(voltage controlledoscillator，VCO)在通信系统中发挥了关键作用，为数字电路中的定时和射频(radiofrequency，RF)电路中的频率转换提供了所需的周期信号。VCO可以实现为与其它电路分离或集成到专用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)中的独立模块以在设备中使用，这些设备是例如但不限于手机、基站以及几乎每个通信设备。随着RF频率的提高和电源电压的降低，越来越难设计出既满足系统噪声和功率需求，又满足尺寸小、成本低、频率高的产品需求的VCO。

LC谐振VCO的噪声性能与其信号功率直接相关，其信号功率与存储在谐振电感-电容(inductor-capacitor，LC)储能电路中的能量成正比。在传统的VCO设计中，存储在LC电路中的能量与电感器的尺寸和VCO中放大器的电源电压的平方成正比。

随着半导体设备的几何形状的缩小，放大器的电源电压也需要降低，以避免热载流子注入(hot carrier injection，HCI)。HCI是一种电荷载流子陷入MOS晶体管的栅极电介质中并且永久地改变其开关特性的现象。

为了对电压下降进行补偿，LC储能电路中使用的电感器的尺寸也必须减小，从而使VCO产生的噪声性能保持不变。增加所需频率也需要减小电感器的尺寸。但是，减小电感器尺寸极具挑战性，因为随着电感器的尺寸不断变小，电感器的品质因数(qualityfactor，Q)也会降低，从而进一步增加VCO的热噪声。

所谓的Hartley VCO是一种包括放大器、电容器和电感器的有源电路。HartleyVCO具有如下特性：调谐电路包括与两个或更多串联电感器并联的电容器，并且用于振荡的反馈信号从电感器之间的连接获得。

现参考图1，示出了现有技术中使用传统LC储能电路谐振器的差分Harley VCO100的示意图。晶体管M1至M4构成一个放大器。PMOS晶体管M3和M4的源极耦合到正电源轨(例如VDD)，并且它们各自的栅极交叉耦合到相对PMOS晶体管的漏极，并分别耦合到PMOS晶体管M1和M2的源极。PMOS晶体管M1和M2的漏极耦合到负电源轨(例如地线)，并且它们各自的栅极耦合到由电感器L1和L2以及电容器C_v构成的传统LC储能谐振器。

图2示出了现有技术中的图1示意性所示的抽头式电感器L1和L2的布局。在图2中，电感器L1和L2显示为嵌套环路201至202。这种嵌套提供了图1所示的互耦合k1和k2。