一种正交振荡器及生成正交信号的方法 |
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| 申请号 | CN201110249556.0 | 申请日 | 2011-08-23 | 公开(公告)号 | CN102457229B | 公开(公告)日 | 2014-03-26 |
| 申请人 | 台湾积体电路制造股份有限公司; | 发明人 | 吕盈达; 陈和祥; 周淳朴; 薛福隆; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种 正交 振荡器 及生成正交 信号 的方法。正交振荡器包含一第一振荡器，具有一第一二阶谐波 节点 ，一第二振荡器，具有一第二二阶谐波节点，至少一电容器与所述第一二阶谐波节点和所述第二二阶谐波节点耦合。第一振荡器用于提供一同相信号，第二振荡器用于提供一正交信号。本发明提供的正交振荡器能够提升 相位 噪声性能，且在没有任何 相位噪声 降低、额外功耗、 电压 余量耗散或任何LC谐振 频率 影响的情况下具有相对紧凑的芯片面积。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种正交振荡器，其特征在于，所述正交振荡器包含： |
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| 说明书全文 | 一种正交振荡器及生成正交信号的方法技术领域背景技术[0002] 本地振荡器(local oscillator，LO)信号是直接变频和无线通讯技术，例如正交振幅调制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)系统中的低中频(intermediate frequency，IF)的必要元素。正交振幅调制是一种通讯信号的调制方式。这种方式传送两个信号，一个同相信号(I)和一个正交信号(Q)，并以这两个载波的调幅进行传送。信号I和Q的载波的相位相差90度。 [0003] 正交信号(I和Q)可通过不同方法产生。现有的差动振荡器利用二分频器电路工作在两倍所需频率，但其正交准确性不佳，并且可能会有很大功耗。另一种利用多相滤波器的差动振荡器受过程变化的影响，并且需要缓冲放大器来补偿多相滤波器的损失。 发明内容[0005] 有鉴于此，本发明的目的就是提供一种正交振荡器及生成正交信号的方法。 [0006] 根据本发明的一实施例，提出一种正交振荡器，包含一第一振荡器，具有一第一二阶谐波节点，一第二振荡器，具有一第二二阶谐波节点，至少一电容器与所述第一二阶谐波节点和所述第二二阶谐波节点耦合。第一振荡器用于提供一同相信号，第二振荡器用于提供一正交信号。 [0007] 依据本发明一实施例，第一二阶谐波节点与所述第二二阶谐波节点相位相差180度。 [0008] 较佳的，电容器的总电容至少是第一二阶谐波节点或第二二阶谐波节点的寄生电容的三倍。 [0009] 较佳的，第一振荡器和第二振荡器是差分压控振荡器。 [0010] 依据本发明一实施例，第一振荡器包含： [0011] 一第一NMOS晶体管，具有一第一源极，与一第一电流源耦合；以及[0012] 一第二NMOS晶体管，具有一第二源极，与第一电流源耦合，其中，第一源极与第二源极也与电容器的一第一端耦合。 [0013] 较佳的，第一振荡器还包含一第一PMOS晶体管，具有一第一漏极，与第一NMOS晶体管的一第二漏极耦合以及一第二PMOS晶体管，具有一第三漏极，与第二NMOS晶体管的一第四漏极耦合，第二振荡器包含一第三NMOS晶体管，具有一第三源极，与一第二电流源耦合以及一第四NMOS晶体管，具有一第四源极，与第二电流源耦合，其中，第三源极与第四源极也与电容器的一第二端耦合。 [0014] 依据一实施例，第一振荡器包含： [0015] 一第一PMOS晶体管，具有一第一源极，与一第一电流源耦合；以及[0016] 一第二PMOS晶体管，具有一第二源极，与第一电流源耦合，其中，第一源极和第二源极也与电容器的一第一端耦合。 [0017] 较佳的，第一振荡器包含一第一NMOS晶体管，具有一第一漏极，与第一PMOS晶体管的一第二漏极耦合以及一第二NMOS晶体管，具有一第三漏极，与第二PMOS晶体管的一第四漏极耦合，第二振荡器包含一第三PMOS晶体管，具有一第三源极，与一第二电流源耦合以及一第四PMOS晶体管，具有一第四源极，与第二电流源耦合，其中，第三源极和第四源极也与电容器的一第二端耦合。 [0018] 本发明的另一方面在于提供一种生成正交信号的方法，包含： [0019] 将一第一振荡器与至少一电容器的一第一端在第一振荡器的一第一二阶谐波节点处耦合； [0020] 将一第二振荡器与电容器的一第二端在第二振荡器的一第二二阶谐波节点处耦合；以及 [0021] 通过第一振荡器与第二振荡器提供一同相信号与一正交信号，其中同相信号和正交信号相位相差90度。 [0022] 其中，第一二阶谐波节点与第二二阶谐波节点相位相差180度，电容器的总电容至少是第一二阶谐波节点或第二二阶谐波节点的寄生电容的三倍，第一振荡器和第二振荡器是差分压控振荡器。 [0024] 为让本发明的上述和其它目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的详细说明如下： [0025] 图1绘示依照本发明一实施例的正交振荡器的示意图； [0026] 图2绘示依照本发明另一实施例的正交振荡器的示意图； [0027] 图3是图1与图2中的正交振荡器的波形示意图； [0028] 图4绘示依照本发明又一实施例的正交振荡器的示意图； [0029] 图5绘示依照本发明再一实施例的正交振荡器的示意图； [0030] 图6绘示依照本发明还一实施例的正交振荡器的示意图；以及 [0031] 图7绘示依照本发明一实施例的产生正交信号的流程图。 具体实施方式[0032] 以下将以附图及详细说明来清楚阐释本发明的精神，任何本领域的普通技术人员在了解本发明的较佳实施例后，当可由本发明所揭露的技术，加以改变及修饰，且并不脱离本发明的精神与范围。 [0033] 图1绘示依照本发明一实施例的正交振荡器100的示意图。正交振荡器100用于两个差分压控振荡器(voltage con trolled oscillator，VCO)电路101和103。振荡器101包括电感L1和L2，一电容器Ca，以及NMOS晶体管M1和M2。其还包括一电流源I1。NMOS晶体管M1和M2的源极与电流源I1在节点102处耦合，节点102也与电容器C1的一端耦合。 [0034] 同样地，振荡器103包括电感L3和L4，一电容器Cb，以及NMOS晶体管M3和M4。振荡器103还包括一电流源I2。NMOS晶体管M3和M4的源极与电流源I2在节点104处耦合，节点104也与电容器C2的一端耦合。电流源I1和I2为振荡器101和103提供偏置电流。在图1中所示的正交振荡器100中，节点102和104处的电压信号Vx和Vy分别具有振荡频率的二阶谐波(两倍频率)，例如具有正交电压信号V1、V2、V3和V4的二阶谐波。 [0035] 电容器C1和C2在二阶谐波节点102和104耦合振荡器101和103。由于电容器C1和C2连接在一起的中心节点Vg差分虚接地，正交振荡电路100在两个二阶谐波信号Vx和Vy相位相差180度时正常工作。因为虚接地Vg，C1为90度相位延迟，C2也90度相位延迟，节点102和104的相位差保持在180度。由于节点102和104之间的相位差，同相电压信号V1(0°)和V2(180°)以及正交电压信号V3(90°)和V4(270°)在相位上相差90度。 [0036] 在一些实施例中，耦合的电容器，例如C1和C2的总电容是节点102或104处的寄生电容的至少三倍，以提供足够的耦合功能。在另一些实施例中，耦合的电容器，例如C1和C2的总电容是节点102或104处的寄生电容的至少十倍。在图1中所示的两个电容器C1和C2仅为示意之用，应注意的是电容器的数量可以是任意个，例如1、2、3……等等。举例来说，图2绘示依照本发明另一实施例的仅使用一个电容器C3的正交振荡器200的示意图。使用电容器C1和C2(或C3)作为耦合电路(无论一个或两个电容器，都可相当于两个电容器)可以实现超谐波耦合和正交相位的产生。 [0037] 图3是图1与图2中的正交振荡器的波形示意图。二阶谐波电压信号Vx和Vy表示其彼此相位相差180度。此外，正交信号V1、V2、V3和V4表示同相信号(0度的V1和180度的V2)与正交信号(90度的V3和270度的V4)之间相位相差90度。 [0038] 下方的表1所示为图1中的正交振荡器100(或图2中的200)相较于现有的正交振荡器的相位噪声。表1中(在相同功耗时)相位噪声的比较表明正交振荡器100(或200)展现出最佳的相位噪声性能。 [0039] 表1 [0040]正交VCO 相位噪声(dBc/Hz) 现有1 -111.9 现有2 -113.7 现有3 -114.8 现有4 -119.5 [0041]本发明一实施例 -119.7 [0042] 此外，正交振荡器100(或200)能够在没有任何相位噪声降低、额外功耗、电压余量耗散或任何LC谐振频率影响的情况下具有相对紧凑的芯片面积。举例来说，现有的使用2 变压器电路的正交振荡器中的耦合电路的芯片面积是220*220μm。优选的正交振荡器100 2 或200中的耦合电路(C1和C2，或C3)的芯片面积为85*40μm。该耦合电路的芯片面积 2 2 节省率为92％。另一种现有的正交振荡器的总芯片面积是640*472μm+235*235μm。本 2 优选实施例中的正交振荡器100或200的总芯片面积仅为640*472μm。总芯片面积节省率为15％。 [0043] 图4绘示依照本发明又一实施例的正交振荡器400的示意图。正交振荡器400包含两个由电容器C4和C5耦合的互补型交叉耦合振荡器410和420，且底部具有电流源I3与I4。与图1或图2相似的是，NMOS晶体管M5、M6、M9和M10与电流源I3和/或I4耦合，且耦合电容器C4和/或C5。此外，PMOS晶体管M7和M8的漏极分别与NMOS晶体管M5和M6的漏极耦合。同样的，PMOS晶体管M11和M12的漏极分别与NMOS晶体管M9和M10的漏极耦合。 [0044] 图5绘示依照本发明再一实施例的正交振荡器500的示意图。正交振荡器500包含两个由电容器C4和C5耦合的互补型交叉耦合振荡器510和520，且顶部具有电流源I5与I6。PMOS晶体管M15和M16的源极与电流源I5耦合，电流源I5也与电容器C8的一端耦合。NMOS晶体管M13和M14的漏极分别与PMOS晶体管M15和M16的漏极耦合。同样的，PMOS晶体管M19和M20的源极与电流源I6耦合，电流源I6也与电容器C9的一端耦合。NMOS晶体管M17和M18的漏极分别与PMOS晶体管M19和M20的漏极耦合。 [0045] 图6绘示依照本发明还一实施例的正交振荡器600的示意图。在正交振荡器600中，顶部具有电流源I7与I8的两个交叉耦合PMOS的VCOS 610和620使用电容器C12和C13进行耦合，以产生正交信号V1、V2、V3和V4。正交振荡器600利用PMOS晶体管M21、M22、M23和M24来代替图1中的正交振荡器100的NMOS晶体管M1、M2、M3和M4。PMOS晶体管M21和M22的源极与电流源I7耦合，电流源I7也与电容器C12的一端耦合。同样的，PMOS晶体管M23和M24的源极与电流源I8耦合，电流源I8也与电容器C13的一端耦合。 [0046] 图7绘示依照本发明一实施例的产生正交信号的流程图。在步骤702中，一第一振荡器，例如101，与至少一个电容器，例如C1和C2或C3的第一端在第一振荡器，例如101的一第一二阶谐波节点，例如102处耦合。步骤704中，一第二振荡器，例如103，与至少一个电容器，例如C1和C2或C3的第二端在第二振荡器，例如103的一第二二阶谐波节点，例如104处耦合。在步骤706中，利用第一振荡器，例如101和第二振荡器，例如103提供一同相信号，例如V1和一正交信号，例如V3，其中同相信号，例如V1和正交信号，例如V3的相位相差90度。 [0047] 第一二阶谐波节点，例如102和第二二阶谐波节点，例如104的相位相差180度。在一些实施例中，至少一电容器C1和C2或C3具有的总电容至少是第一二阶谐波节点，例如102或第二二阶谐波节点，例如104的寄生电容的三倍。在一些实施例中，第一振荡器，例如101和第二振荡器，例如103是差分压控振荡器(VCOS)。 [0048] 在一些实施例中，正交振荡器包含一第一振荡器，具有一第一二阶谐波节点，一第二振荡器，具有一第二二阶谐波节点，至少一电容器与所述第一二阶谐波节点和所述第二二阶谐波节点耦合。第一振荡器用于提供一同相信号，第二振荡器用于提供一正交信号。 [0049] 在一些实施例中，生成正交信号的方法包括将一第一振荡器与至少一电容器的一第一端在第一振荡器的一第一二阶谐波节点处耦合。将一第二振荡器与电容器的一第二端在第二振荡器的一第二二阶谐波节点处耦合。通过第一振荡器与第二振荡器提供一同相信号与一正交信号，其中同相信号和正交信号相位相差90度。 [0050] 虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。 |
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