CN101471624A

CN101471624A - 压控震荡器

Info

Publication number: CN101471624A
Application number: CNA200710305214XA
Authority: CN
Inventors: 刘仁杰
Original assignee: Realtek Semiconductor Corp
Current assignee: Realtek Semiconductor Corp
Priority date: 2007-12-29
Filing date: 2007-12-29
Publication date: 2009-07-01

Abstract

压控震荡器包含电感电容槽电路、交叉耦合对电路以及转导调整电路。电感电容槽电路提供一电感值与一电容值。交叉耦合对电路耦接于电感电容槽电路，具有以交叉耦合方式相耦接的第一晶体管及第二晶体管。转导调整电路依据第一控制信号来调整压控震荡器的转导值，其包含第三晶体管耦接至第一晶体管与第一开关单元；以及第四晶体管，耦接至第二晶体管与第一开关单元。第一控制信号控制是否将第一开关单元导通以调整压控震荡器的转导值。

Description

压控震荡器

技术领域

本发明有关一种压控震荡器，特别指一种具有宽可调范围的压控震荡器。

背景技术

在无线通讯设备中，例如手机、无线网卡等，压控震荡器(voltagecontrolled oscillator，VCO)为一关键组件，通常搭配着相位频率检测器(PhaseFrequency Detector，PFD)、电荷泵(Charge Pump，CP)、低通滤波器(Low PassFilter)与分频器(Frequency Divider)而形成一频率合成器(FrequencySynthesizer)，用以产生不同频率的信号。因此，如何改善压控震荡器的性能、降低功耗、降低成本，则成为现今行动通讯市场的新挑战。

于先前技术中，通常是利用变容器(varactor)或者可切换电容(switchablecapacitor)来调整压控震荡器的震荡频率，若是只靠增加电容来增加压控震荡器的调整范围(tuning range)，会造成在低频的时候，电容太大而压控震荡器的电压振幅太小，甚至无法起振。为了解决这个问题，通常会采用下列几种方式，例如增加电流、增加可切换电感(switchable inductor)或者使用闩锁型混波器(latch-type mixer)或正交型压控震荡器(quadrature type VCO)，然而，这些方式易造成电流功耗变大、面积增加或是Q值下降、或者相位噪声较差等缺点。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种压控震荡器，利用调整交叉耦合晶体管对的数量来控制压控震荡器的电压振幅及调整范围，以解决先前技术中的问题。

本发明的实施例披露了一种压控震荡器。该压控震荡器包含一电感电容槽电路、一交叉耦合对电路以及一转导调整电路。该电感电容槽电路用来提供一电感值与一电容值以决定一共振频率。该交叉耦合对电路耦接于该电感电容槽电路，具有以交叉耦合方式相耦接的一第一晶体管及一第二晶体管。该转导调整电路耦接于该交叉耦合对电路，用来依据一第一控制信号以调整该压控震荡器的一转导值，该转导调整电路包含：一第三晶体管，耦接至该第一晶体管与一第一开关单元；以及一第四晶体管，耦接至该第二晶体管与该第一开关单元。其中，该第一控制信号控制该第一开关单元，控制是否将该第一开关单元导通，使得该第三晶体管实质上并联于该第一晶体管，该第四晶体管实质上并联于该第二晶体管，以调整该压控震荡器的该转导值。其中，该第一晶体管、该第二晶体管、该第三晶体管以及该第四晶体管各为一P型晶体管，或者各为一N型晶体管。

附图说明

图1为本发明第一实施例的压控震荡器的示意图。

图2为共振频率与晶体管对导通数目的关系图。

图3为第1图所示的压控震荡器的振幅与晶体管对导通数目的关系图。

图4为本发明第二实施例的压控震荡器的示意图。

图5为本发明第三实施例的压控震荡器的示意图。

【主要组件附图标记】

100、400、500 压控震荡器

110 电流源

120 电感电容槽电路

130、430 交叉耦合对电路

530 第一交叉耦合对电路

540 第二交叉耦合对电路

140、440 转导调整电路

540 第一转导调整电路

640 第二转导调整电路

150 电感单元 160 切换式电容单元

I₁ 偏压电流 V_dd 工作电压

L₁ 第一电感 L₂ 第二电感

SW2 第二开关 C 电容

Ctrl₁、Ctrl₂、Ctrl₃ 控制信号

Q₁、Q₁’ 第一晶体管

Q₂、Q₂’ 第二晶体管

Q₃₁～Q_3N、Q₃₁’～Q_3N’ 第三晶体管

Q₄₁～Q_4N、Q₄₁’～Q_4N’ 第四晶体管

SW₁₁～SW_1N、SW₁₁’～SW_1N’ 第一开关

Q₅ 第五晶体管

Q₆ 第六晶体管

Q₇₁～Q₇N 第七晶体管

Q₈₁～Q₈N 第八晶体管

SW₃₁～SW_3N 第三开关

V_fixed 固定振幅

N₁、N₂、N₃ 导通数目

A、B、C 曲线

具体实施方式

请参考图1。图1为本发明第一实施例的压控震荡器100的示意图。压控震荡器100包含(但不限于)一电流源110、一电感电容槽电路120、一交叉耦合对电路130以及一转导调整电路140。电流源110耦接于一工作电压V_dd与电感电容槽电路120之间，用来提供一偏压电流I₁。电感电容槽电路120包含一电感单元150以及一切换式电容单元160，分别用来提供一电感值与一电容值以决定一共振频率f₀，其中，电感单元150具有一第一电感L₁及一第二电感L₂，耦接于电流源110，而切换式电容单元160耦接于电感单元150，其具有复数个电容C及复数个相对应的第二开关SW2，各个电容以并联方式彼此耦接在一起，其中每一个第二开关SW2用来依据控制信号Ctrl₂控制所对应的电容C。交叉耦合对电路130耦接于电感电容槽电路120，具有以交叉耦合方式相耦接的一第一晶体管Q₁及一第二晶体管Q₂。转导调整电路140的用来调整压控震荡器100的一转导值g_m，且转导调整电路140具有复数对晶体管对及复数个相对应的第一开关SW₁₁～SW_1N，且每一对晶体管对包含一第三晶体管Q₃₁～Q_3N及相对应的一第四晶体管Q₄₁～Q_4N，其中每一对晶体管对所对应的第一开关(SW₁₁～SW_1N)用来依据控制信号Ctrl₁以控制该对晶体管对中的第三晶体管(Q₃₁～Q_3N)是否实质上并联于第一晶体管Q1以及第四晶体管(Q₄₁～Q_4N)是否实质上并联于第二晶体管Q2，以调整压控震荡器100的转导值。举例来说，当有一第一开关，例如：SW₁₁被导通时，电流源110所提供的偏压电流I₁流经电感电容槽电路120、交叉耦合对电路130的第三晶体管SW₃₁或第四晶体管SW₄₁，以形成第三晶体管SW₃₁实质上并联于第一晶体管Q1与第四晶体管SW₄₁实质上并联于第二晶体管Q2，虽然，在此状态下，第三晶体管SW₃₁的源极(source)并非真正地连接至第一晶体管Q1的源极，但第三晶体管SW₃₁的源极电压与第一晶体管Q1的源极电压是实质上相等的(例如：同为地电压)，因此，第三晶体管SW₃₁仍可视为质上并联于第一晶体管Q1，第四晶体管SW₄₁与第二晶体管Q2亦同理。

另外，上述的每一第二开关SW2可由一晶体管来加以实现，而每一第一开关SW₁₁～SW_1N亦可由一晶体管来加以实现，但本发明并不局限于此，亦可使用其它种类的开关组件。

在本实施例中，压控震荡器100具有一增益A，可由下列的式子来表示：

A＝2×g_m×Z_P (1)

其中，g_m为压控震荡器100的转导值，而Z_P可由另外一个式子来表示：

Z_{P} = \frac{L_{P}}{C_{P}} \times \frac{1}{R_{S}} - - - (2)

由上列两个式子(1)、(2)可以得到：

A = 2 \times g_{m} \times \frac{L_{P}}{C_{P}} \times \frac{1}{R_{S}} - - - (3)

假设压控震荡器100的等效电感值L_P与等效电阻值R_S为固定的，则增益A与等效电容值C_P及转导值g_m有关，当等效电容值C_P增加时，增益A会随着减少，反之，当等效电容值C_P减少时，增益A会随着增加；另一方面，当转导值g_m变大时，增益A会随着增加，反之，当转导值g_m变小时，增益A会随着减少。由上可知，可透过调整压控震荡器100的等效电容值C_P及转导值g_m来调整增益A，亦即调整压控震荡器100的摆幅(swing)。

接下来，进一步说明如何控制转导调整电路140中的各晶体管对来调整压控震荡器100的转导值g_m与振幅。在第一种情况下，假设增加第一开关SW₁₁～SW_1N导通的数目，此时转导值g_m会随着变大，由于晶体管的栅极源极间电压大于临界值电压(V_gs>V_t)，会造成晶体管的栅极源极间的寄生电容(C_gs)上升，因此压控震荡器100的等效电容C_P也跟着上升，造成共振频率f₀下降，透过上述的式子可得知，此处所增加的转导值g_m刚好用来补偿因为等效电容C_P上升所造成的增益A下降，进而维持压控震荡器100的振幅大约不变(容许些微的误差及变化)。

在第二种情况下，假设减少第一开关SW₁₁～SW_1N导通的数目，此时转导值g_m会随着变小，由于晶体管的栅极源极间电压小于临界值电压(V_gs<V_t)，会造成晶体管的栅极源极间的寄生电容(C_gs)下降，压控震荡器100的等效电容C_P也跟着下降，造成共振频率f₀上升，透过上述的式子可得知，此处所减少的转导值g_m刚好用来补偿因为等效电容C_P下降所造成的增益A上升，进而维持压控震荡器100的振幅大约不变。

由上可知，通过控制第一开关SW₁₁～SW_1N导通的数目，可以调整共振频率f₀，进而得到两者的关系图。请参考图2，图2为共振频率f₀与晶体管对导通数目的关系图。如图2所示，如果要操作在较高频的共振频率f₀下，则减少第一开关SW₁₁～SW_1N导通的数目，反之，如果要操作在较低频的共振频率f₀下，则增加第一开关SW₁₁～SW_1N导通的数目。

请参考图3，图3为图1所示的压控震荡器100的振幅与晶体管对导通数目的关系图。假设我们想要一直维持在同一个固定振幅V_fixed下，当共振频率f₀操作在不同频率之下，则需设定不同的晶体管对导通的数目。举例来说，当要操作在较高频的共振频率f₀下(如曲线A)，此时对照至固定振幅V_fixed会得到相对应的晶体管对导通的数目N₁；当要操作在较低频的共振频率f₀下(如曲线C)，此时对照至固定振幅V_fixed会得到相对应的晶体管对导通的数目N₃。由此可知，若共振频率f₀欲操作在不同频率下，却又同时要让振幅维持在固定振幅V_fixed下，可通过调整晶体管对导通的数目来达到此一目的。

在第一实施例中，第一晶体管Q₁、第二晶体管Q₂、第三晶体管Q₃₁～Q_3N以及第四晶体管Q₄₁～Q_4N各为一N型晶体管，然而，这并非本发明的限制条件。请参考图4，图4为本发明第二实施例的压控震荡器400的示意图。压控震荡器400与第1图所示的压控震荡器100类似，两者不同之处在于压控震荡器400所包含的一交叉耦合对电路430中的第一晶体管Q₁’、第二晶体管Q₂’以及一转导调整电路440中的第三晶体管Q₃₁’～Q_3N’以及第四晶体管Q₄₁’～Q_4N’由P型晶体管来加以实现。此外，交叉耦合对电路430与转导调整电路440耦接于电流源110与电感电容槽电路120之间。

当然，亦可将P型晶体管与N型晶体管同时应用在压控震荡器的电路中。请参考图5，图5为本发明第三实施例的压控震荡器500的示意图。压控震荡器500与第1图所示的压控震荡器100类似，两者不同之处在于压控震荡器500包含一第一交叉耦合对电路530、一第二交叉耦合对电路630、一第一转导调整电路540以及一第二转导调整电路640，其中，第一交叉耦合对电路530与第一转导调整电路540的各个晶体管(即第一晶体管Q₁、第二晶体管Q₂、第三晶体管Q₃₁～Q_3N以及第四晶体管Q₄₁～Q_4N)可由N型晶体管来加以实现(如第1图中的交叉耦合对电路130与转导调整电路140)，且由控制信号Ctrl₁来控制第一开关单元SW₁₁～SW_1N的开启与关闭，而第二交叉耦合对电路630与第二转导调整电路640的各个晶体管(即第五晶体管Q₅、第六晶体管Q₆、第七晶体管Q₇₁～Q_7N以及第八晶体管Q₈₁～Q_8N)可由P型晶体管来加以实现(如第4图中的交叉耦合对电路430与转导调整电路440)，且由第三控制信号Ctrl₃来控制第三开关单元SW₃₁～SW_3N的开启与关闭。上述的第二转导调整电路640用来与第一转导调整电路540一起调整压控震荡器600的转导值g_m。

请注意，本领域技术人员应可了解，在不违背本发明的精神下，第一交叉耦合对电路530、第二交叉耦合对电路630、第一转导调整电路540以及第二转导调整电路640的各种变化皆是可行的。举例来说，第一交叉耦合对电路530与第一转导调整电路540的各个晶体管可由P型晶体管来实施，而第二交叉耦合对电路630与第二转导调整电路640的各个晶体管可由N型晶体管来加以实现。

另外，实施例中所有晶体管的耦接及连接方式，包含晶体管的栅极(Gate)、漏级(Drain)与源极(Source)的耦接及连接方式如附图中所示，在说明书中不另赘述。

以上所述的实施例仅用来说明本发明的技术特征，并非用来局限本发明的范围。文中所提到的每一第二开关SW2可由一晶体管来加以实现，而每一第一开关SW₁₁～SW_1N、SW₁₁’～SW_1N’亦可为由一晶体管来加以实现，以及每一第三开关SW₃₁～SW_3N亦可由一晶体管来加以实现，但并不局限于此，亦可为其它种类的开关组件。请注意，文中所提到的各个晶体管可为一N型晶体管或者一P型晶体管，然而，这并非本发明的限制条件。此外，亦可将P型晶体管与N型晶体管同时应用在压控震荡器的电路中。熟知此项技艺者应可了解，在不违背本发明的精神下，第一交叉耦合对电路530、第二交叉耦合对电路630、第一转导调整电路540以及第二转导调整电路640的各种变化皆是可行的。

另外，实施例中的第三晶体管Q₃₁～Q_3N以及第四晶体管Q₄₁～Q_4N虽然共享第一开关SW₁₁～SW_1N，但分别地耦接至所对应的开关亦可实施，举例来说，第三晶体管Q₃₁耦接至一开关，第四晶体管Q₄₁耦接至另一开关；在调整压控震荡器的转导值时，控制信号可同时导通该两开关，使得第三晶体管Q₃₁实质上并联于第一晶体管Q1，第四晶体管Q₄₁实质上并联于第二晶体管Q2，该耦接方式与操作方式亦属本发明的范围。

由上可知，本发明提供一种压控震荡器，通过调整转导调整电路140中的第一开关SW₁₁～SW_1N导通的数目，可以改变压控震荡器100的转导值g_m，而压控震荡器100的等效电容C_P也跟着改变，换言之，共振频率f₀也会随着改变。若想要降低共振频率f₀，则可增加第一开关SW₁₁～SW_1N导通的数目，反之，若想要提高共振频率f₀，则可减少第一开关SW₁₁～SW_1N导通的数目。此处所改变的转导值g_m刚好用来补偿因为等效电容C_P改变所造成的增益A的上升或下降，进而维持压控震荡器100的振幅大约不变(容许些微的误差及变化)。本发明所披露的压控震荡器，是透过调整转导调整电路140中的第一开关SW₁₁～SW_1N导通的数目来调整共振频率f₀，由于压控震荡器的电压振幅几乎维持在一固定值，不会发生低频时无法起振的问题，此外，本发明所披露的压控震荡器也不会造成电流功耗变大、面积增加或是Q值下降、或者相位噪声较差等缺点，能够真正提供一个很好的解决之道。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种压控震荡器，包含：

一电感电容槽(LC Tank)电路，用来提供一电感值与一电容值；

一交叉耦合对电路，耦接至该电感电容槽电路，具有以交叉耦合方式相耦接的一第一晶体管与一第二晶体管；以及

一转导调整电路，耦接至该交叉耦合对电路，用来依据一第一控制信号以调整该压控震荡器的一转导值，该转导调整电路包含：

一第三晶体管，耦接至该第一晶体管与一第一开关单元；及

一第四晶体管，耦接至该第二晶体管与该第一开关单元；

其中，该第一控制信号控制该第一开关单元，控制是否将该第一开关单元导通，使得该第三晶体管实质上并联于该第一晶体管，该第四晶体管实质上并联于该第二晶体管，以调整该压控震荡器的该转导值。

2.如权利要求1所述的压控震荡器，还包含：

一电流源，用来提供一偏压电流至该电感电容槽电路与该交叉耦合对电路中；

其中，当该第一开关单元导通时，该偏压电流流经该第三晶体管或该第四晶体管。

3.如权利要求2所述的压控震荡器，其中该第一晶体管的栅极耦接至该第二晶体管的漏级；以及该第二晶体管的栅极耦接至该第一晶体管的漏级。

4.如权利要求3所述的压控震荡器，其中该第三晶体管的栅极耦接至该第一晶体管的栅极；该第三晶体管的漏级耦接至该第一晶体管的漏级；该第三晶体管的源极耦接至该第一开关单元；该第四晶体管的栅极耦接至该第二晶体管的栅极；该第四晶体管的漏级耦接至该第二晶体管的漏级；以及该第四晶体管的源极耦接至该第一开关单元。

5.如权利要求2所述的压控震荡器，其中该电感电容槽电路包含：

一电感单元，具有一第一电感及第二电感，该第一电感与该第二电感耦接于该电流源；以及

一切换式电容单元，耦接于该电感单元，具有复数个电容及复数个相对应的第二开关，其中每一个第二开关用来控制所对应的电容。

6.如权利要求1所述的压控震荡器，其中该第一晶体管、该第二晶体管、该第三晶体管以及该第四晶体管各为一P型晶体管。

7.如权利要求1所述的压控震荡器，其中该第一晶体管、该第二晶体管、该第三晶体管以及该第四晶体管各为一N型晶体管。

8.如权利要求1所述的压控震荡器，还包含：

一第二交叉耦合对电路，耦接于该电感电容槽电路，具有以交叉耦合方式耦接的一第五晶体管及一第六晶体管；以及

一第二转导调整电路，用以依据一第三控制信号以调整该压控震荡器的该转导值，该第二转导调整电路包含：

一第七晶体管，耦接至该第五晶体管与一第三开关单元；以及

一第八晶体管，耦接至该第六晶体管与该第三开关单元；

其中，该第三控制信号控制该第三开关单元，控制是否将该第三开关单元导通，使得该第七晶体管实质上并联于该第五晶体管，该第八晶体管实质上并联于该第六晶体管，以调整该压控震荡器的该转导值。

9.如权利要求8所述的压控震荡器，其中该第一与该第三开关单元各具有至少一晶体管开关。

10.如权利要求8所述的压控震荡器，其中该第一晶体管、该第二晶体管、该第三晶体管以及该第四晶体管各为一P型晶体管，以及该第五晶体管、该第六晶体管、该第七晶体管以及该第八晶体管各为一N型晶体管。

11.如权利要求8所述的压控震荡器，其中该第一晶体管、该第二晶体管、该第三晶体管以及该第四晶体管各为一N型晶体管，以及该第五晶体管、该第六晶体管、该第七晶体管以及该第八晶体管各为一P型晶体管。

12.如权利要求1所述的压控震荡器，其设置于一频率合成器中(Frequency synthesizer)。