專利名稱：振蕩器和集成電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及平衡晶體振蕩器電路，其中包括壓電元件；結(jié)合了晶體管的第一振蕩器子電路；以及結(jié)合了晶體管的第二振蕩器子電路；其中，各晶體管具有不同類型的晶體管端子，并且振蕩器子電路配置了至少三個(gè)互連。
背景技術(shù)：
平衡晶體振蕩器電路可用于各種電子電路。但是，一個(gè)特殊的應(yīng)用領(lǐng)域是在通信設(shè)備、尤其是電信設(shè)備中，其中生成或合成了參考頻率以作為調(diào)制器、解調(diào)器、上行及下行變頻器和定時(shí)電路等的周期信號(hào)。這些周期信號(hào)通常是矩形波信號(hào)。
周期信號(hào)具有基頻，并由所謂的頻率合成器生成，它提供了作為參考信號(hào)的基頻的重?cái)?shù)的周期信號(hào)的基頻。為了滿足在這些設(shè)備所要符合的標(biāo)準(zhǔn)中提出的涉及頻率穩(wěn)定性或定時(shí)精確度的要求，通常要求晶體振蕩器用于提供充分穩(wěn)定或精確的參考信號(hào)。
通信設(shè)備涉及不同頻率范圍內(nèi)的信號(hào)處理；設(shè)置成可處理與RF載波信號(hào)的調(diào)制相關(guān)的信號(hào)的電路在最高頻率范圍內(nèi)工作，并且通常表示為RF級(jí)。設(shè)置成可處理與要通過(guò)載波信號(hào)傳遞的信號(hào)相關(guān)的信號(hào)的電路在更低頻率范圍內(nèi)工作，并且表示為基帶級(jí)或基帶電路。
RF級(jí)主要涉及以較高功率及較高頻率來(lái)處理信號(hào)；因此，作為RF級(jí)的不可避免的遺留特征而存在有大噪聲源?；鶐щ娐吠ǔＩ婕案凸β始?jí)的較低頻率信號(hào)，但是，此電路中的信號(hào)處理通常作為數(shù)字信號(hào)處理來(lái)進(jìn)行，因此涉及繁重的數(shù)字交換。因此，基帶電路也是強(qiáng)大的噪聲源。
對(duì)于例如以射頻(RF)提供無(wú)線通信的通信設(shè)備而言，所謂的RF頻率合成器配有來(lái)自通常在10-40MHz下運(yùn)行的晶體振蕩器的參考信號(hào)。
對(duì)于例如蜂窩電話、藍(lán)牙(TM)通信裝置等較復(fù)雜和緊湊的通信設(shè)備而言，更緊密的集成等級(jí)使得希望將通信裝置的各種電路集成在一個(gè)集成電路上。這樣一種集成電路通常屬于半導(dǎo)體類型，其中，半導(dǎo)體芯片(硅襯底)設(shè)置在封裝的陶瓷對(duì)底(或所謂的金屬端板)上，其中具有端子用于提供與印制電路板(PCB)的電接觸。硅襯底與陶瓷襯底之間的電接觸通過(guò)接合線來(lái)實(shí)現(xiàn)。同樣，陶瓷襯底與封裝端子之間的電接觸也通過(guò)接合來(lái)實(shí)現(xiàn)。
由于電路的以上所需集成以及電路對(duì)于噪聲的產(chǎn)生和散發(fā)的相應(yīng)屬性，因此振蕩器電路適合于大噪聲環(huán)境。因此，振蕩器易于從集成電路的硅襯底拾取干擾。另外，由于振蕩器電路的諧振器元件往往設(shè)置在集成電路的外部(即集成電路封裝的外部)，因此，振蕩器也易于通過(guò)接合線及端子拾取干擾。實(shí)際上，晶體極為穩(wěn)定，并且在某種程度上能夠抑制干擾，但由于要求極為嚴(yán)格，因此干擾靈敏度的降低是電路設(shè)計(jì)人員當(dāng)前的一個(gè)難題。對(duì)于GSM/GPRS蜂窩終端而言，例如在典型元件如電壓控制振蕩器VCO接通及斷開或者改變頻率的情況下，低至0.1ppm的頻移作為最大值是可接受的。
但是，不希望的頻移或頻率誤差的主要原因是工作點(diǎn)的漂移(由于公共電源線的干擾感應(yīng)DC電壓降，或者由于導(dǎo)致電流或電壓的局部DC漂移的干擾信號(hào)的整流，和/或由于進(jìn)入晶體振蕩器電路的干擾信號(hào))，在其中非線性分量被調(diào)制(涉及裝置gm的變化或輸入容量)。在某種程度上可使用片上屏蔽，但接合線和金屬跡線易受到磁場(chǎng)影響。與單端結(jié)構(gòu)相反的平衡結(jié)構(gòu)是有用的，但即使共模(即作用于一對(duì)平衡信號(hào)的影響)干擾分量也是有害的。
一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)當(dāng)指出，晶體振蕩器提供了極穩(wěn)定的振蕩器頻率，而不管電源電壓電平以及負(fù)載特性的變化如何，因此是極穩(wěn)健的振蕩器類型。
先有技術(shù)一種眾所周知的振蕩器是所謂的皮爾斯振蕩器，其中具有由EricVittoz提出的單CMOS增益單元(“高性能晶體振蕩器電路理論及應(yīng)用”；IEEE Joumal of Solid State Circuits，第774-783頁(yè)，1988年6月)。出于電流消耗的考慮，許多低頻晶體振蕩器通常采用Vittoz所提出的單CMOS增益單元。這樣一種振蕩器如圖1所示。這種增益單元采用單端信號(hào)，因此，振蕩器的接地對(duì)于大數(shù)字芯片來(lái)說(shuō)是一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題。這種充分接地的缺乏可能導(dǎo)致噪聲及對(duì)振蕩器核心的干擾注入。同樣，集成電路襯底不會(huì)直接連接到諧振器接地端，因而也提供了到電路的干擾通路。但是，盡管存在這些明顯的缺陷，它仍然是通用的振蕩器，因?yàn)樗赏ㄟ^(guò)單CMOS反相器來(lái)實(shí)現(xiàn)。
存在上述基于CMOS反相的振蕩器的備選方案。皮爾斯(Pierce)振蕩器也可基于以共集電極耦合的方式耦合起來(lái)的雙極結(jié)晶體管(BJT)。略微較少受歡迎的具有雙極結(jié)晶體管的單端晶體振蕩器基于共發(fā)射極或共基極耦合。
以上單端振蕩器均存在對(duì)襯底干擾不是充分穩(wěn)健的缺點(diǎn)。
SU 1771058公開了一種差分振蕩器，其中具有由兩個(gè)晶體管以及分別耦合在電源電壓與這兩個(gè)晶體管的集電極端子之間的兩個(gè)電阻器組成的負(fù)阻抗變換器(NIC)。晶體管之一的基極端子連接到另一個(gè)晶體管的集電極端子，反之亦然。晶體耦合在兩個(gè)晶體管的發(fā)射極端子之間。NIC在晶體上提供了負(fù)電阻，晶體在具有適當(dāng)大小時(shí)能夠不使電路衰減，使得它將在晶體的諧振頻率附近振蕩。
由于差分操作，因此能夠抑制在接合線上感應(yīng)的一部分干擾，例如以RF感應(yīng)的寄生頻率形式的干擾。但是，這種及其它振蕩器的缺點(diǎn)是缺乏對(duì)于可能由例如相同襯底上涉及密集數(shù)字交換的電路產(chǎn)生的所謂襯底干擾或者對(duì)于振蕩器節(jié)點(diǎn)處感應(yīng)的、例如來(lái)自另一個(gè)片上RF振蕩器的其它強(qiáng)干擾的穩(wěn)健性。這種不完善的性能導(dǎo)致振蕩頻率的微小變化，稱作頻移。例如，當(dāng)數(shù)字交換活動(dòng)根據(jù)電路活動(dòng)開始或停止時(shí)，或者當(dāng)附近的RF振蕩器在所謂的空閑、發(fā)射(TX)或接收(RX)模式之間接通或斷開時(shí)，或者當(dāng)RF振蕩器調(diào)諧到另一個(gè)頻率時(shí)，就可能出現(xiàn)頻移。當(dāng)RX或TX RF振蕩器接通或斷開時(shí)的典型頻移可能達(dá)到百萬(wàn)分之一(ppm)。GSM/GPRS要求比1ppm更為嚴(yán)格，一般來(lái)說(shuō)，這種振蕩器相對(duì)GSM/GPRS要求來(lái)說(shuō)無(wú)法很好地工作。
如上所述，集成振蕩器易于拾取襯底干擾。皮爾斯振蕩器(圖1)經(jīng)由所謂的后門效應(yīng)(即，它的襯底與源端子之間的信號(hào)將被放大其正向跨導(dǎo)的約30％的增益)而對(duì)襯底干擾敏感。此外，漏極對(duì)襯底具有平行板電容，這種通路也可導(dǎo)致噪聲注入。采用雙極晶體管取代MOS器件的確可消除后門效應(yīng)，但沒(méi)有消除平行板襯底電容。
總之，雖然在基于NIC的振蕩器中存在某種共模噪聲降低，然而皮爾斯振蕩器或者基于NIC的振蕩器電路對(duì)于襯底干擾都不穩(wěn)健。

發(fā)明內(nèi)容
以上問(wèn)題通過(guò)這樣一種在開始部分所述的振蕩器來(lái)得到解決，該振蕩器的特征在于，第一和第二振蕩器子電路之間的各互連包括一對(duì)相似類型的晶體管端子；其中，所述互連的第一個(gè)組成到接地參考或信號(hào)地參考、如電壓干線的連接；所述互連的第二個(gè)經(jīng)由第一諧振器元件；以及所述互連的第三個(gè)經(jīng)由第二諧振器元件；所述第一和第二電路設(shè)置成通過(guò)所述第一和第二諧振器元件而相互作用，以便形成平衡的振蕩器信號(hào)。
第一和第二振蕩器子電路可包括晶體管，或者為雙極結(jié)晶體管或者為金屬氧化物半導(dǎo)體；以及用于對(duì)晶體管偏壓并濾出不希望的頻率分量的電路。濾波器可以是例如簡(jiǎn)單RC濾波器的形式。晶體管端子的相似對(duì)可以分別是由來(lái)自各晶體管的集電極端子組成的一對(duì)集電極端子，或者一對(duì)BJT或MOS晶體管的漏極端子。第一和第二諧振器元件通常分別為電容器和壓電晶體。兩個(gè)振蕩器子電路通過(guò)以諧振器(振蕩器)頻率在第一和第二振蕩器電路之間來(lái)回搭接能量而相互作用。最好在第一或第二諧振器元件上提供平衡的輸出信號(hào)。
因此便提供了一種對(duì)干擾穩(wěn)健的極精確的振蕩器。該振蕩器對(duì)干擾的敏感比上述先有技術(shù)振蕩器少五至十倍。
另外，振蕩器具有優(yōu)良的頻移性能，它使振蕩器可與其它片上振蕩器如RF振蕩器結(jié)合起來(lái)使用，從而在所有操作模式下提供穩(wěn)定的參考頻率。頻移性能可作為當(dāng)諸如數(shù)字交換電路或其它振蕩器之類的干擾源接通或斷開或者當(dāng)其工作條件改變時(shí)根據(jù)本發(fā)明的振蕩器的頻率變化來(lái)測(cè)量。對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的振蕩器而言，振蕩頻率僅受到干擾的極有限的影響。這又使得能夠符合關(guān)于其輸出頻率的變化的要求，不需要附加電路用于減少這個(gè)變化。試驗(yàn)表明，本振蕩器能夠滿足GSM/GPRS標(biāo)準(zhǔn)所提出的要求。
最好是在分別連接到第一和第二端子的第一電路結(jié)點(diǎn)(T1a；T2a；T3a)以及第二電路結(jié)點(diǎn)(T1b；T2b；T3b)處從相似類型晶體管端子對(duì)中之一提供所述平衡輸出信號(hào)；其中的相似類型晶體管端子通過(guò)諧振器元件互連。
在一些有利的實(shí)施例中，晶體管屬于雙極結(jié)晶體管(BJT)類型。由于BJT晶體管沒(méi)有MOS晶體管所具有的所謂后門效應(yīng)，因此消除了對(duì)襯底干擾通路的這個(gè)來(lái)源。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述互連的第一、第二和第三個(gè)分別由一對(duì)集電極型端子、基極型端子和發(fā)射極型端子組成；從而為平衡振蕩器電路配置了雙共集電極晶體管耦合。這個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的有利之處在于，比較容易例如由簡(jiǎn)單電阻器子電路進(jìn)行偏壓。另外，由于集電極連接到接地參考，因此構(gòu)成晶體管的集電極的襯底部分可提供對(duì)晶體管的基極和發(fā)射極的屏蔽，因而進(jìn)一步防止振蕩器受到噪聲信號(hào)的影響。
在一個(gè)備選實(shí)施例中，所述互連的第一、第二和第三個(gè)分別由一對(duì)基極型端子、集電極型端子和發(fā)射極型端子組成，從而為平衡振蕩器電路配置了雙共基極晶體管耦合。
當(dāng)?shù)谝恢C振器元件由壓電元件構(gòu)成以及第二諧振器由電容器構(gòu)成時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)振蕩器的一種有利配置。盡管存在振蕩器的平衡操作，也只需要使用一個(gè)晶體，從而提供了成本效率合算的平衡振蕩器。
在一個(gè)備選實(shí)施例中，所述互連的第一、第二和第三個(gè)分別由一對(duì)發(fā)射極型端子、集電極型端子和基極型端子組成，從而為平衡振蕩器電路配置了雙共發(fā)射極晶體管耦合。
有利的是，通過(guò)連接在晶體管的發(fā)射極與電源電壓之間的電阻器，就可為其中的至少一個(gè)晶體管提供偏流。電阻器偏壓電路提供了優(yōu)于有效電流源的優(yōu)點(diǎn)，即電阻器子電路提供了針對(duì)襯底絕緣的優(yōu)點(diǎn)。因此，通過(guò)電阻子電路便可提供晶體管的偏壓，而沒(méi)有引入來(lái)自襯底的其它部分對(duì)晶體管的干擾通路。
當(dāng)要求具有比配備了基于電阻器的偏壓子電路更穩(wěn)定的晶體管工作點(diǎn)時(shí)，通過(guò)有效電流源為晶體管中的至少一個(gè)提供偏流。當(dāng)集成電路內(nèi)部或外部的條件極大地影響并以不受控制的方式作用于工作點(diǎn)時(shí)，可能要求這個(gè)更穩(wěn)定的工作點(diǎn)。
晶體管最好是工作在C類。因此，晶體管電路的加載更低，因RF干擾而導(dǎo)致更低的頻移。另外，由于輸出電流僅以低于整個(gè)振蕩器周期的半周期的時(shí)間間隔流動(dòng)，因此電流消耗極低。時(shí)間間隔還表示為傳導(dǎo)角。
晶體管最好是金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)類型。
前面指出，共集電極耦合的BJT器件提供了基極和發(fā)射極的屏蔽；然而，MOS器件沒(méi)有在相應(yīng)的共漏極耦合中提供相似的屏蔽，除非采用成本昂貴的三阱(triple-well)技術(shù)。但是，當(dāng)振蕩器的特征為所述互連的第一、第二和第三個(gè)分別由一對(duì)漏極型端子、柵極型端子和源極型端子組成從而形成雙共漏極晶體管耦合時(shí)，柵極與襯底之間以及源極與襯底之間的較大信號(hào)波動(dòng)會(huì)使襯底干擾較小。
所述互連的第一、第二和第三個(gè)最好分別由一對(duì)柵極型端子、漏極型端子和源極型端子組成，從而為平衡振蕩器電路配置了雙共柵極晶體管耦合。
第一諧振器元件最好由壓電元件構(gòu)成，第二諧振器最好由電容器構(gòu)成。
晶體振蕩器的一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題在于它們可能按照不希望的模式開始工作。實(shí)際上，振蕩器可在任何頻率下進(jìn)行振蕩，其中環(huán)路增益充分高(即大于一)而相移等于180度。這些諧振頻率常常在晶體諧波處出現(xiàn)，或者在可見(jiàn)到寄生諧振(通常為高頻)的情況下出現(xiàn)。當(dāng)振蕩器電路配置了RC電路、形成高于振蕩輸出信號(hào)的基本振蕩頻率的頻率范圍內(nèi)的環(huán)路增益極點(diǎn)時(shí)，這個(gè)問(wèn)題得到解決。這種一般不希望有的諧振最好是通過(guò)插入與晶體串聯(lián)的LC濾波器來(lái)抑制。
本發(fā)明還涉及一種集成電路，其包括與諧振器元件共同構(gòu)成上述振蕩器的電路；所述集成電路包括與諧振器元件電互連的端子。因此，占用集成電路芯片上的較大面積的元件被設(shè)置在集成電路芯片之外。這是更為節(jié)省空間和成本效率合算的解決方案。
另外，本發(fā)明還涉及一種集成電路，其包括與壓電元件共同構(gòu)成上述振蕩器的電路；所述集成電路包括與壓電元件電互連的端子。因此，如果在集成電路芯片上有充分空間可用，則電容元件可設(shè)置在集成電路芯片上，從而只把壓電元件設(shè)置在芯片之外。
此外，本發(fā)明還涉及包括上述振蕩器的移動(dòng)電話。
下面將結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例并參照附圖來(lái)更完整地說(shuō)明本發(fā)明，附圖包括


圖1表示單端晶體振蕩器；
圖2a表示基于雙共集電極晶體管耦合的平衡晶體振蕩器；圖2b表示基于雙共基極晶體管耦合的平衡晶體振蕩器；圖2c表示基于雙共發(fā)射極晶體管耦合的平衡晶體振蕩器；圖3表示基于雙共集電極晶體管耦合并具有偏壓電路的平衡晶體振蕩器；圖4表示電流源；圖5表示具有外部諧振器元件的平衡晶體振蕩器。
具體實(shí)施例方式
圖1表示單端晶體振蕩器。振蕩器電路表示為包括第一和第二子電路。第一子電路101通常通過(guò)安裝在印制電路板(PCB)上的無(wú)源元件來(lái)實(shí)現(xiàn)，而第二子電路102則在安裝在PCB上的集成電路(IC)元件的襯底上實(shí)現(xiàn)。
第一子電路101包括振蕩器件，它的形式為例如具有范圍為10-40MHz的標(biāo)稱振蕩頻率的晶體(Xtal)103。晶體通過(guò)兩個(gè)連接器106和107電連接到第二子電路102。
在大約為標(biāo)稱串行諧振頻率的頻率處，晶體具有較低阻抗。但是，在低于及高于串行諧振頻率的頻率處，晶體具有較高阻抗。因此，在標(biāo)稱頻率以下、尤其是以上，晶體上的振蕩信號(hào)將對(duì)連接器106和107上感應(yīng)的、作為噪聲的電磁干擾敏感。電容器104和105連接到晶體，以便提供規(guī)定的負(fù)載和諧振，以及把高頻信號(hào)分量耦合到接地參考G1。第二子電路102包括有源器件109，它的形式是MOS晶體管，通過(guò)電流源(IQ)110偏壓。MOS晶體管和電流源連接到接地參考G2。接地參考G2通過(guò)導(dǎo)體108電連接到接地參考G1。
因此，能夠參考第二子電路中以大寫字母‘A’表示的電路結(jié)點(diǎn)處的接地參考G2來(lái)檢測(cè)振蕩信號(hào)。偏壓電阻器111放置在晶體管109的漏極和柵極端子之間，以便為晶體管提供適當(dāng)?shù)墓ぷ鳁l件。
上述類型的振蕩器通常提供了定時(shí)信號(hào)，這個(gè)定時(shí)信號(hào)通過(guò)例如雙晶體管CMOS反相器從振蕩器信號(hào)中提取，并提供給上述集成電路的襯底中的其它子電路。
圖2a表示基于雙共集電極晶體管耦合的平衡晶體振蕩器。平衡晶體振蕩器包括兩個(gè)相似的振蕩器子電路，即子電路201和202。這些子電路是在功能上相似的子電路，它們沒(méi)有描述振蕩器的物理實(shí)現(xiàn)。對(duì)于物理實(shí)現(xiàn)來(lái)說(shuō)，壓電晶體207以及可選的電容器208、206和205設(shè)置在集成電路之外，因?yàn)樗鼈冋加昧思呻娐飞系倪^(guò)多空間。振蕩器的其它元件如晶體管203和204設(shè)置在集成電路中。
晶體管具有三個(gè)不同的晶體管端子，即，在晶體管屬于雙極(BJT)型的情況下的集電極、基極和發(fā)射極，以及在晶體管屬于金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)型的情況下的源極、柵極和漏極。
子電路通過(guò)三個(gè)互連耦合在一起，其中每個(gè)互連包括一對(duì)相似類型的晶體管端子。因此，互連包括從第一子電路的晶體管端子(集電極、基極、發(fā)射極或者漏極、柵極、源極)到第二子電路的相似晶體管端子的電路通路，其中這兩個(gè)晶體管端子組成了一對(duì)端子。三個(gè)互連的第一個(gè)包括壓電晶體(Xtal)207，它把晶體管204的基極端子耦合到晶體管203的基極端子。三個(gè)互連的第二個(gè)包括電容器208形式的諧振器元件，它把晶體管204的發(fā)射極端子耦合到晶體管203的發(fā)射極端子。三個(gè)互連的第三個(gè)把晶體管204的集電極端子和晶體管203的集電極端子連接到接地(gnd)參考或者信號(hào)地(例如Vcc)參考。這個(gè)接地參考最好是集成電路中的接地參考。
在電路結(jié)點(diǎn)即端子T1a和T1b處的壓電晶體207上或者在電路結(jié)點(diǎn)即端子T2a和T2b處的電容器208上提供平衡(即雙線)輸出振蕩器信號(hào)。因此，在相似類型的晶體管端子對(duì)其中之一、即基極端子對(duì)或發(fā)射極端子對(duì)上提供了平衡輸出信號(hào)。
圖2b表示基于雙共基極晶體管耦合的平衡晶體振蕩器。平衡晶體振蕩器包括兩個(gè)相似振蕩器子電路，即子電路210和209。各子電路包括電容器214、213以及晶體管212、211的形式的有源器件。晶體管具有三個(gè)不同的晶體管端子，即，在晶體管屬于雙極(BJT)型的情況下的集電極、基極和發(fā)射極，以及在晶體管屬于金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)型的情況下的源極、柵極和漏極。
子電路通過(guò)三個(gè)互連耦合在一起，其中每個(gè)互連由一對(duì)相似類型的晶體管端子組成。三個(gè)互連的第一個(gè)包括壓電晶體(Xtal)215，它把晶體管212的集電極端子耦合到晶體管211的集電極端子。三個(gè)互連的第二個(gè)包括電容器216形式的諧振器元件，它把晶體管212的發(fā)射極端子耦合到晶體管213的發(fā)射極端子。三個(gè)互連的第三個(gè)把晶體管212的基極端子和晶體管213的基極端子連接到接地參考gnd。同樣應(yīng)當(dāng)注意，互連包括從第一子電路的晶體管端子(集電極、基極、發(fā)射極或者漏極、柵極、源極)到第二子電路的相似晶體管端子的電路通路，其中這兩個(gè)晶體管端子組成了一對(duì)端子。
在端子T3a和T3b處的壓電晶體215或者在端子T4a和T4b處的電容器216提供平衡輸出振蕩器信號(hào)。因此，在相似類型的晶體管端子對(duì)其中之一、即集電極端子對(duì)或發(fā)射極端子對(duì)上提供了平衡輸出信號(hào)。
應(yīng)當(dāng)注意，這些子電路210和209是功能上相似的子電路，它們沒(méi)有描述振蕩器的物理實(shí)現(xiàn)。對(duì)于物理實(shí)現(xiàn)，諧振器元件215以及可選的214、213和216設(shè)置在集成電路之外，而其它元件則通常設(shè)置在集成電路中。
圖2c表示基于雙共發(fā)射極晶體管耦合的平衡晶體振蕩器。平衡晶體振蕩器包括兩個(gè)相似振蕩器子電路，即子電路218和217。各子電路包括壓電晶體222、221以及晶體管220、219形式的有源器件。晶體管具有三個(gè)不同的晶體管端子，即，在晶體管屬于雙極(BJT)型的情況下的集電極、基極和發(fā)射極，以及在晶體管屬于金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)型的情況下的源極、柵極和漏極。
子電路通過(guò)三個(gè)互連耦合在一起，其中每個(gè)互連由一對(duì)相似類型的晶體管端子組成。三個(gè)互連的第一個(gè)和第二個(gè)分別包括電容器223和224形式的諧振器元件，它們分別把晶體管220的集電極端子耦合到晶體管219的集電極端子和把晶體管220的基極端子耦合到晶體管219的基極端子。三個(gè)互連的第三個(gè)把晶體管220的發(fā)射極端子和晶體管219的發(fā)射極端子連接到接地參考gnd。因此，子電路217和218的壓電元件221和222分別通過(guò)相似標(biāo)稱振蕩頻率相互作用，從而提供頻率為標(biāo)稱振蕩頻率或接近標(biāo)稱振蕩頻率的平衡輸出振蕩器信號(hào)。
在端子T5a和T5b處的電容器223上或者在端子T6a和T6b處的電容器224上提供平衡輸出振蕩器信號(hào)。因此，在相似類型的晶體管端子對(duì)其中之一、即集電極端子對(duì)或發(fā)射極端子對(duì)上提供了平衡輸出信號(hào)。應(yīng)當(dāng)注意，這些子電路218和217是在功能上相似的子電路，它們沒(méi)有描述振蕩器的物理實(shí)現(xiàn)。
圖3表示基于雙共集電極晶體管耦合并具有偏壓電路的平衡晶體振蕩器。首先將描述該電路的配置，其次將說(shuō)明功能及設(shè)計(jì)有關(guān)事項(xiàng)。平衡晶體振蕩器包括兩個(gè)相似振蕩器子電路，即子電路302和301。各子電路包括電容器306、305以及晶體管304、303形式的有源器件。子電路通過(guò)三個(gè)互連耦合在一起，其中每個(gè)互連由一對(duì)相似類型的晶體管端子組成。三個(gè)互連的第一個(gè)包括壓電晶體(Xtal)313，它把晶體管304的基極端子耦合到晶體管303的基極端子。另外，互連還包括相應(yīng)子電路的電阻器Rf 311、308。因此，這些基極端子經(jīng)由電阻器311、308以及晶體313耦合在一起。三個(gè)互連的第二個(gè)包括電容器314形式的諧振器元件，它把晶體管304的發(fā)射極端子耦合到晶體管303的發(fā)射極端子。三個(gè)互連的第三個(gè)把晶體管304的集電極端子和晶體管303的集電極端子連接到接地參考gnd。
在端子T7a和T7b處的壓電晶體313上或者在電路結(jié)點(diǎn)即端子T8a和T8b處的電容器314上提供平衡(即雙線)輸出振蕩器信號(hào)。因此，在相似類型的晶體管端子對(duì)其中之一、即基極端子對(duì)或發(fā)射極端子對(duì)上提供了平衡輸出信號(hào)。
可按照?qǐng)D3中所示來(lái)實(shí)現(xiàn)雙共集電極振蕩器的偏壓子電路。在這里，電阻器Rb 310、307把BJT基極端子連接到偏置電壓源Vb 317、318。這個(gè)偏壓可經(jīng)由分壓器等從帶隙參考中導(dǎo)出。Rb 310、307應(yīng)當(dāng)選擇為大到足以避免諧振電路的不必要加載，但又不能太高而使得BJT電流增益(βF)變化將導(dǎo)致偏壓點(diǎn)不穩(wěn)定。電阻器Re 316、315向有源器件304、303提供偏流。如果充分高的電源電壓可用，則這些電阻器316、315可由有效電流源代替，但電阻器可在更好的襯底絕緣方面提供優(yōu)勢(shì)。
不希望的以及寄生振蕩模式可通過(guò)電阻器Rf311、308和電容器Cf312、309組成的RC濾波器來(lái)抑制。電阻器與Cf312、309和BJT(或在適用時(shí)的MOS)輸入電容一起組成了環(huán)路增益極點(diǎn)，它可設(shè)計(jì)成使得只有所需的振蕩模式才是可行的。電容器Cf312、309可省略，因?yàn)樵诓恍枰材Ｒ种茣r(shí)有源器件的輸入電容器可能是足夠的，或者可由基極上的單個(gè)電容器取代。這不會(huì)要求改變電容器306、304和314，這些電容器與晶體共同組成了諧振子電路。電容器306和305通常被選擇成約為電容器314電容的兩倍。
經(jīng)由集電極襯底平行板電容器的任何襯底耦合噪聲將被偏離到信號(hào)地(例如gnd)，而不會(huì)進(jìn)入晶體管。
圖4表示電流源?？墒┘舆@個(gè)電流源或其它適當(dāng)?shù)碾娏髟矗瑥亩?dāng)存在充分高的電源電壓時(shí)以及當(dāng)要求晶體管的穩(wěn)定工作點(diǎn)時(shí)，向晶體管304和303提供偏流。這可通過(guò)采用電流源或電流反射鏡取代各電阻器316和315來(lái)實(shí)現(xiàn)。
如何施加電流源來(lái)對(duì)晶體管偏壓的方式是眾所周知的，但為了完整性，的端子L(對(duì)應(yīng)于晶體管402的集電極端子)連接到晶體管304和303的發(fā)射極端子。晶體管402的發(fā)射極端子耦合到接地參考。晶體管402的基極端子連接到晶體管401的基極-集電極結(jié)點(diǎn)。這個(gè)結(jié)點(diǎn)連接到晶體管403的一端，晶體管403的另一端連接到電源電壓(Vcc)。晶體管401的發(fā)射極端子連接到接地參考gnd。在一個(gè)實(shí)際實(shí)施例中，取代電阻器Re 316和315的兩個(gè)電流源表示為共用相同的晶體管401和電阻器403，從而建立從晶體管401到402a以及從401到402b的基極-基極連接，其中標(biāo)記a和b表示子電路302或者301的電流源。
圖5表示具有外部諧振器元件的平衡晶體振蕩器。通過(guò)例如電池503或另一個(gè)電源進(jìn)行工作的電路501包括集成電路502以及集成電路外部的元件504、505、506和507。集成電路502及外部元件504-507通常安裝在印制電路板PCB上。把元件504、505、506和507設(shè)置在集成電路的外部的原因主要是因?yàn)橐韵率聦?shí)這些元件通常占用了集成電路上的過(guò)多空間。
對(duì)于雙共集電極振蕩器，電容器208、314可設(shè)置在集成電路的外部，如電容器504所示。同樣，電容器206、306，205、305和晶體207、313可設(shè)置在集成電路的外部，如電容器505、506和晶體507所示。根據(jù)本發(fā)明，平衡振蕩器的偏壓電路、有源器件(晶體管)、濾波器等最好設(shè)置在集成電路中。
總之，本申請(qǐng)公開了一種高集成性的差分晶體振蕩器，它具有高共模抑制、良好的襯底抗干擾性、防寄生諧振模式以及對(duì)RF干擾的低敏感度。
雖然以上公開基于把晶體作為最頻繁選擇的元件，但也可以采用具有適當(dāng)阻抗特性的電感器、陶瓷諧振器或另一元件來(lái)取代Xtal。但是，晶體通常產(chǎn)生了最高的頻率穩(wěn)定性能。
一般來(lái)說(shuō)，術(shù)語(yǔ)“接地參考”表示從信號(hào)模型的角度所看到的參考。因此，接地參考可依賴于電源電壓電位(gnd或Vcc)或者其它基本上固定的電壓電位。
一般來(lái)說(shuō)，術(shù)語(yǔ)“子電路”用作表示電子電路的組成部分的術(shù)語(yǔ)，但諸如“電路網(wǎng)絡(luò)”或“網(wǎng)絡(luò)”或“電路”等其它術(shù)語(yǔ)與其等效。
權(quán)利要求
1.一種平衡晶體振蕩器電路，包括壓電元件(207；215；222，221；313)；結(jié)合了晶體管(204；212；220；304)的第一振蕩器子電路(202；210；218；302)；以及結(jié)合了晶體管(203；211；219；303)的第二振蕩器子電路(201；209；217；301)；其中，所述晶體管各具有不同類型的晶體管端子(C，B，E；D；G；S)，以及所述振蕩器子電路配置了至少三個(gè)互連；其特征在于，每個(gè)互連包括一對(duì)相似類型的晶體管端子；其中，所述互連的第一個(gè)組成到接地參考(gnd；Vcc)的連接；所述互連的第二個(gè)通過(guò)第一諧振器元件(207；215；223；313)；以及所述互連的第三個(gè)通過(guò)第二諧振器元件(208；216；224；314)；所述第一和第二電路設(shè)置成通過(guò)所述第一和第二諧振器元件來(lái)相互作用，以形成平衡振蕩器信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的平衡晶體振蕩器電路，其特征在于，在分別連接到第一和第二端子的第一電路結(jié)點(diǎn)(T1a；T2a；T3a)以及第二電路結(jié)點(diǎn)(T1b；T2b；T3b)處從所述相似類型的晶體管端子對(duì)的其中之一提供平衡輸出信號(hào)；其中的相似類型的晶體管端子通過(guò)諧振器元件(207；208；215；216；223；224；313；324)互連。
3.如權(quán)利要求1或2所述的平衡晶體振蕩器電路，其特征在于，所述晶體管屬于雙極結(jié)晶體管(BJT)類型。
4.如權(quán)利要求3所述的平衡晶體振蕩器電路，其特征在于，所述互連的所述第一、第二和第三個(gè)分別由一對(duì)集電極型端子、基極型端子和發(fā)射極型端子組成；從而為所述平衡振蕩器電路配置雙共集電極晶體管耦合。
5.如權(quán)利要求3所述的平衡晶體振蕩器電路，其特征在于，所述互連的所述第一、第二和第三個(gè)分別由一對(duì)基極型端子、集電極型端子和發(fā)射極型端子組成，從而為所述平衡振蕩器電路配置雙共基極晶體管耦合。
6.如權(quán)利要求4或5所述的平衡晶體振蕩器電路，其特征在于，所述第一諧振器元件由壓電元件(207；215；313)構(gòu)成，所述第二諧振器元件(208；216；314)由電容器構(gòu)成。
7.如權(quán)利要求3所述的平衡晶體振蕩器電路，其特征在于，所述互連的所述第一、第二和第三個(gè)分別由一對(duì)發(fā)射極型端子、集電極型端子和基極型端子組成，從而為所述平衡振蕩器電路配置雙共發(fā)射極晶體管耦合。
8.如權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的平衡晶體振蕩器電路，其特征在于，通過(guò)耦合在晶體管的發(fā)射極與電源電壓之間的電阻器(Re)來(lái)為至少一個(gè)所述晶體管提供偏流。
9.如權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的平衡晶體振蕩器電路，其特征在于，通過(guò)有效電流源(403，401，402)，為至少一個(gè)所述晶體管提供偏流。
10.如權(quán)利要求3至9中任一項(xiàng)所述的平衡晶體振蕩器電路，其特征在于，所述晶體管工作在C類。
11.如權(quán)利要求1或2所述的平衡晶體振蕩器電路，其特征在于，所述晶體管屬于金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)類型。
12.如權(quán)利要求11所述的平衡晶體振蕩器電路，其特征在于，所述互連的所述第一、第二和第三個(gè)分別由一對(duì)漏極型端子、柵極型端子和源極型端子組成；從而為所述平衡振蕩器電路配置雙共漏極晶體管耦合。
13.如權(quán)利要求11所述的平衡晶體振蕩器電路，其特征在于，所述互連的所述第一、第二和第三個(gè)分別由一對(duì)柵極型端子、漏極型端子和源極型端子組成，從而為所述平衡振蕩器電路配置雙共柵極晶體管耦合。
14.如權(quán)利要求12或13所述的平衡晶體振蕩器電路，其特征在于，所述第一諧振器元件由壓電元件構(gòu)成，所述第二諧振器由電容器構(gòu)成。
15.如權(quán)利要求1至14中任一項(xiàng)所述的平衡晶體振蕩器電路，其特征在于，所述振蕩器電路配置有RC電路(Rf，Cf)，其形成了高于所述振蕩輸出信號(hào)的基本振蕩頻率的頻率范圍內(nèi)的環(huán)路增益極。
16.一種集成電路(502)，包括與諧振器元件共同構(gòu)成如權(quán)利要求1至15中任一項(xiàng)所述的振蕩器的電路；所述集成電路包括與所述諧振器元件電互連的端子。
17.一種集成電路，包括與壓電元件共同構(gòu)成如權(quán)利要求1至16中任一項(xiàng)所述的振蕩器的電路；所述集成電路包括與所述壓電元件電互連的端子。
18.一種移動(dòng)電話，包括如權(quán)利要求1至16中任一項(xiàng)所述的振蕩器。
全文摘要
一種平衡晶體振蕩器電路包括壓電元件Xtal(207；215；222；221；3 13)；結(jié)合了晶體管(204；212；220；304)的第一振蕩器子電路(202；210；218；302)；以及結(jié)合了晶體管(203；211；219；303)的第二子電路(201；209；217；301)；其中，各晶體管具有不同類型的晶體管端子(C，B，E；D；G；S)，并且振蕩器子電路配置了至少三個(gè)互連。各互連包括一對(duì)相似類型的晶體管端子；其中，所述互連的第一個(gè)組成到接地參考(gnd)的連接；所述互連的第二個(gè)經(jīng)由第一諧振器元件(207；215；223；313)；以及所述互連的第三個(gè)經(jīng)由第二諧振器元件(208；216；224；314)；所述第一和第二電路設(shè)置成通過(guò)所述第一和第二諧振器元件相互作用，以便形成平衡振蕩器信號(hào)。雙共基極或雙共集電極配置是優(yōu)選的。
文檔編號(hào)H03B5/32GK1682434SQ03821193
公開日2005年10月12日 申請(qǐng)日期2003年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月6日
發(fā)明者S·馬蒂松 申請(qǐng)人:艾利森電話股份有限公司