TW201036321A - Low noise oscillators - Google Patents

Description

201036321 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於射頻（RF )振盪器，更特別的是具有 低階相位雜訊之射頻振盪器。 【先前技術】 如所屬技術領域所知，低雜訊振盪器具有寬廣範圍的 €) 應用，諸如在導航、雷達及通信系統方面。亦如所屬技術 領域所知，由於電晶體振盪器，來自電晶體的閃爍雜訊可 能明顯地降低振盪器相位雜訊。一種用於生產低雜訊振盪 器之技術將用來篩選用於具有低相位雜訊的裝置之振盪器 電晶體。這是耗時且高成本的，且有時可能導致不可預期 的良率。獲得具有小於1 kHz很多之閃爍雜訊的射頻電晶 體被要求，然而通常被認爲是不實用的。更特別的是，射 頻振盪器相位雜訊係限制許多系統的性能之主要因素。時 ^ 基相關屬性係短期穩定度或Allan變異。振盪器中相位雜 訊產生的基本機構在文獻中被瞭解且說明。一實例爲 D.B· Leeson所撰文獻中所述之模型，其標題爲”回饋振盪 器雜訊頻譜的簡單模型（A simple model of feedback oscillator noise spectrum)”刊載於 1 966 年 2 月出版的 IEEE期刊第54期第3 29-3 3 0頁。此振盪器模型常被稱爲 ”Lee son的模型”。許多技術被利用來降低振盪器的相位雜 訊’然而’這些技術通常是有關在回饋電路中使用具有較 低1 /f相位雜訊之電晶體或較高Q共振器。 5 -5- 201036321 相位雜訊時常藉由其頻譜特性來說明。例如，相位雜 訊可具有l/fn特徵，其中n爲整數。至於振盪器電路，n 通常在〇至3之間變化。如D.B. Leeson刊載於1 966年2 月出版的IEEE期刊第54卷第3 29-3 3 0頁的”回饋振盪器 雜訊頻譜的簡單模型（A simple model of feedback oscillator noise spectrum)”之文獻中所述，當該裝置被嵌 入高Q振盪器電路時，共振器頻寬內之電子雜訊被增加 以使閃爍雜訊被轉換成1 /f3相位雜訊。此轉換的含意在於 ，共振器頻寬內之雜訊大大地增加。較低相位雜訊的獲得 然後需要較低1 /f相位雜訊之電晶體或較高Q共振器。特 別的是，射頻電晶體的1 /f相位雜訊有關在自振盪信號的 中心共振頻率之小偏移頻率的相位雜訊。例如，當參考1 GHz振盪器中之l/f相位雜訊時，l/f術語應用於具有在 自1 GHz輸出偏移時之頻譜形狀的雜訊。雖然電晶體的 1 /f相位雜訊通常歸因於材料與表面瑕疵，精密機構未被 適當地瞭解。 1 / f相位雜訊的原始可能與電晶體的實際閃爍雜訊相 關聯，然而特定的轉換機構亦未被適當瞭解。由於射頻性 能與閃爍雜訊之間的妥協，獲得具有非常低的Wf相位雜 訊之射頻電晶體是非常困難。

Eva S. Ferre-Pikal 及 Fred L. Walls 在 1 997 年 3 月出 版的 IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectronics and Frequency Control期刊第44卷第2號標題爲，，用於設 計具有低l/f am及PM雜訊的B】T放大器之規範 201036321 (Guidelines for Designing BJT Amplifiers with Low 1/f AM and PM noise)”之文章中提出分析，該分析有關具有 低頻電壓起伏之放大器1/f相位雜訊。集極基底電容的調 變被提議作爲將閃爍雜訊轉換成剩餘1 /f相位雜訊的手段 〇

Eva S. Ferre-Pika 在 2004 年 8 月出版的 IEEE Transactions on Circuits and Systems 期刊第 51 卷第 8 號 Ο 標題爲”使用低頻主動回饋之直線ΗΒΤ放大器中之相位雜 訊的降低（Reduction of Phase Noise in Linear ΗΒΤ Amplifiers Using Low-Frequency Active Feedback)” 之文 章中，企圖利用儀器規劃放大器來穩定通常會偏壓的射頻 電晶體。該儀器規劃放大器係以習用佈局來組構。有證據 顯示，電晶體偏壓點的附加穩定度可能抑制Wf相位雜訊 。然而，此佈局亦引起數個電阻分量作爲潛在的雜訊來源 ，且已限制雜訊抑制。這些裝置未被嵌入或與低相位雜訊 〇 振盪器相關。 此需求將提供具有非常低相位雜訊之射頻振盪器。再 者’需要的是使隨著溫度之射頻功率變異及過程變異最小 化。 【發明內容】 依據本發明，提供一種振盪器，其包含：電晶體；共 振電路，其耦接於該電晶體的輸出電極與該電晶體的控制 電極之間；用於該電晶體之dc偏壓電路。該dc偏壓電路 201036321 包括電壓產生電路及差動放大器。該差動放大器具有：第 一輸入，其耦接至固定參考電壓；第二輸入，其耦接至該 電壓產生電路，該電壓產生電路在與通過該電晶體的該輸 出電極之電流相關之該差動放大器的該第二輸入產生電壓 ;及輸出，其耦接至該電晶體的該控制電極。 於一實施例中，該振盪器包含電壓源，其具有：第一 電位，其耦接至該電壓產生電路的第一端子；及第二電位 ，其耦接至該電壓產生電路的第二端子；以及其中該電壓 產生電路的端子係耦接至該差動放大器的該第二輸入。 於一實施例中，該差動放大器包括耦接於該第一電位 與該差動放大器的該第二輸入之間的第一電阻器、及耦接 於該電晶體的附加電極與該第二電位之間的第二電阻器。 於一實施例中，該振盪器包括電感器，其耦接於該差 動放大器的該第二輸入與該電晶體的該輸出電極之間。 於一實施例中，該振盪器包括電容器，其耦接於該差 動放大器的該第一輸入與該差動放大器的該輸出之間。 於一實施例中，該振盪器包括第三電阻器、及在節點 連接至該第三電阻器之第四電阻器，該節點係經由電容器 耦接至該第二電位，該第三電阻器係耦接於該差動放大器 的該輸出與該節點之間，而該第四電阻器係耦接於該節點 與該電晶體的該控制電極之間。 於一實施例中，該固定電壓係由耦接於該第一電位與 該第二電位之間的電阻分壓器所產生之電壓。 因此，以此種配置，該振盪器的閃燦雜訊係藉由有效 -8- 201036321 地控制偏壓及低頻率調變而減少。本發明使用嶄新的佈局 以減小閃爍雜訊且改善相位雜訊。該技術可應用於寬廣種 類的振盪器。 本發明的一或更多實施例的細節被提出於依據本發明 之振盪器的單一附圖中並說明如下。從說明與圖式以及從 申請專利範圍，本發明的其它特徵、目的及優點將是顯而 易知的。 Ο 【實施方式】 現將參照圖1，其顯示振盪器1 〇。該振盪器包括電晶 體Q1;共振電路12，其耦接於電晶體Q1的輸出電極（ 這裡爲集極電極）與電晶體Q1的控制電極（這裡爲基極 電極）之間；及用於電晶體Q1之dc偏壓電路14。dc偏 壓電路14包括電壓產生電路16及差動放大器18。差動 放大器18具有：第一輸入（反相（-)輸入），其耦接於固 C 定參考電壓；第二輸入（非反相（ + ))，其耦接於電壓產 生電路16，此種電壓產生電路在與通過電晶體Q1的輸出 電極（集極）之電流Ic相關之差動放大器18的第二輸入 (非反相（ + ))產生電壓；及輸出20，其耦接於電晶體Q1 的控制電極（基極）。電壓源V1具有：一電位（ + )，其耦 接於電壓產生電路16的第一端子22;及第二電位（-)，其 耦接於電壓產生電路16的第二端子24。電壓產生電路16 的第三端子26係耦接於差動放大器18的第二輸入（非反 相（ + ))。電壓產生電路16包括耦接於第一電位差動放大 -9- 201036321 器1 8的第二輸入（非反相（+ ))之間的第一電阻器R4、 及耦接於電晶體Q 1的附加電極（射極）與第二電位（端 子24 )之間的第二電阻器R5。電容器C3係耦接於差動 放大器18的第一輸入（反相（-)輸入）與差動放大器18 的輸出20之間。第三電阻器R3與第四電阻器R6 —起被 連接在節點30，此節點30係經由電容器C4耦接至第二 電位（亦即，端子24 )，第三電阻器R3係耦接於差動放 大器1 8的輸出20與節點3 0之間，以及第四電阻器R6係 耦接於節點3 0與電晶體1的控制電極（基極電極）之間 。固定電壓係藉由電阻器R1與R2製成的電阻分壓器34 產生在節點32之電壓，電阻分壓器34係耦接於電壓源 V 1的第一電位與第二電位之間。 更特別的是，電晶體Q1係振盪器電晶體。差動放大 器1 8被選擇以具有低閃爍雜訊特性。電阻器r7係具有 50歐姆的典型値之射頻負載電阻器。電感器L1被使用於 射頻隔離，且亦可採取分配輸送線的形式。電容器C 1係 在振盪頻率具有很低電抗之旁通電容器。雙埠裝置係共振 回饋電路1 2 ’且可以是集總元件l C、諸如S A W的共鳴 器、或諸如傳輸線或介電共振器之分配共振器。雙埠可包 括調諧振盪器頻率的機構，諸如變容二極體。 這裡’差動放大器18被使用來使振盪器電晶體Q1 偏壓且穩定。電晶體Q1被使用爲雙極裝置，然而亦可以 是FET ;在此情況，控制電極係閘極電極。半導體材料可 以是矽、GaAs、GaN或其它半導體材料。 -10- 201036321 藉由使用具有低閃爍雜訊之差動放大器作爲差動放大 器1 8，來提供偏壓。例如，市場可取得之差動放大器爲 具有小於10Hz的典型閃爍雜訊截取之差動放大器。藉由 R 1與R2的分壓器所形成且亦具有低閃爍雜訊之參考電壓 被使用作爲非反相輸入。由於電晶體Q1在低頻之180相 位偏移，來自位在R4-L 1節點的電壓之回饋路徑被應用於 差動放大輸入。有效的是，放大器19的正輸入（非反相 Ο ( + )輸入）變成負回饋路徑，以及在節點32之參考電壓被 應用於通常使用作爲對運算放大器之負輸入。來自差動放 大器1 8之輸出2 0被使用來提供使對射頻電晶體Q 1的輸 入（這裡是射極）偏壓之電壓。電阻器R3、R6與電容器 C4供作使射頻信號與偏壓功能隔離。附加電容器C3供作 爲相位偏移組件以建立適當的相位邊限，且確定雜訊處理 未被非常高的差動電壓增益再生。偏壓組態確定的是，差 動放大器18的非反相輸入（+ )的電壓將是實質上等於反相 Ο 輸入（-)的電壓。因爲在反相輸入（-)之雜訊係從在節點32 之參考電壓導出具有非常低的雜訊，在非反相輸入（+ )之 雜訊亦將是同樣地安靜。射頻電晶體Q1的集極電流ic中 之任何雜訊現在將被偏壓電路1 4感測到，且存在於射頻 電晶體Q1的基極之電壓將被調整以補償該雜訊。通常存 在於射頻電晶體Q1的集極之雜訊實質上將被轉移回到射 頻電晶體Q1的基極。然而，因爲電晶體Q1具有自集極 至基極電極之電壓增益，電壓雜訊將同樣地被此電壓增益 所降低。與集極至基極電容的調變相關且在偏壓電路的頻 201036321 寬內之雜訊處理將同樣地被減少。電阻器R5提供附加的 負回饋以使振盪電路穩定。 因爲偏壓電路向下延伸至DC，振盪器頻率亦相對於 溫度變化及射頻電晶體的參數變化而穩定。該電路可從分 散裝置予以實施，或被實施作爲積體電路。 本發明的一些實施例已被說明。然而，將瞭解的是， 各種修改可被完成而不會背離本發明的精神與範圍。例如 ，本發明適用於晶體、SAW、LC及微波共振振盪器，且 可以分散組件予以實施或被實施作爲積體電路裝置。附加 地，電感器與電容器可以等效功能分佈元件予以取代，諸 如微帶輸送線，使用在微波頻率。因此，其它實施例係在 以下請求項的範圍內。 【圖式簡單說明】 圖1係依據本發明的實施例之射頻振盪器的簡圖。 【主要元件符號說明】 Q 1 :電晶體 Ic :電流 V 1 :電壓源 R4 :第一電阻器 R5 :第二電阻器 C3 :電容器 R3 ··第三電阻器 12- 201036321 R6 :第四電阻器 R7 :電阻器 R1 :電阻器 R2 :電阻器 L1 :電感器 C4 :電容器 1 〇 :振盪器 Ο 1 2 :共振電路 1 4 : d c偏壓電路 1 6 :電壓產生電路 1 8 :差動放大器 1 9 :放大器 20 :輸出 22 :第一端子 24 :第二端子 ^ 26 :第三端子 3 0 :節點 3 2 :節點 3 4 :電阻分壓器

Claims (1)

1. 201036321 七、申請專利範圍： 1. 一種振盪器，包含： 電晶體； 共振電路，其耦接於該電晶體的輸出電極與該電晶體 的控制電極之間； 用於該電晶體之dc偏壓電路，該偏壓電路包括： 電壓產生電路： 差動放大器，其具有： 第一輸入，其耦接至固定參考電壓； 第二輸入，其耦接至該電壓產生電路，該電 壓產生電路在與通過該電晶體的該輸出電極之電流相關之 該差動放大器的該第二輸入產生電壓；及 輸出，其耦接至該電晶體的該控制電極。 2. 如申請專利範圍第1項之振盪器，包含電壓源，其 具有：第一電位，其耦接至該電壓產生電路的第一端子； 及第二電位，其耦接至該電壓產生電路的第二端子；以及 其中該電壓產生電路的端子係耦接至該差動放大器的該第 二輸入。 3. 如申請專利範圍第2項之振盪器，其中該電壓產生 電路包括稱接於該第一電位與該差動放大器的該第二輸入 之間的第一電阻器、及耦接於該電晶體的附加電極與該第 二電位之間的第二電阻器。 4. 如申請專利範圍第3項之振盪器，包括電感器，其 耦接於該差動放大器的該第二輸入與該電晶體的該輸出電 -14- 201036321 極之間。 5 .如申請專利範圍第4 耦接於該差動放大器的該第 出之間。 6 ·如申請專利範圍第3 ，其耦接於該放大器的該輸 之間。 〇 7 .如申請專利範圍第3 、及在節點連接至該第三電 經由電容器耦接至該第二電 差動放大器的該輸出與該節 接於該節點與該電晶體的該 8 .如申請專利範圍第3 係由耦接於該第一電位與該 產生之電壓。 0 9 ·如申請專利範圍第8 耦接於該差動放大器的該第 極之間。 1 0 .如申請專利範圍第 其耦接於該差動放大器的該 輸出之間。 1 1 .如申請專利範圍第 器，其耦接於該放大器的該 之間。 項之振盪器，包括電容器，其 一輸入與該差動放大器的該輸 項之振盪器，包括第三電阻器 出與與該電晶體的該控制電極 項之振盪器，包括第三電阻器 阻器之第四電阻器，該節點係 位，該第三電阻器係耦接於該 點之間，而該第四電阻器係耦 控制電極之間。 項之振盪器，其中該固定電壓 第二電位之間的電阻分壓器所 項之振盪器，包括電感器，其 二輸入與該電晶體的該輸出電 9項之振盪器，包括電容器， 第一輸入與該差動放大器的該 8項之振盪器，包括第三電阻 輸出與該電晶體的該控制電極 -15- 201036321 1 2.如申請專利範圍第8項之振盪器，包括第三電阻 器、及在節點連接至該第三電阻器之第四電阻器，該節點 係經由電容器耦接至該第二電位，該第三電阻器係耦接於 該差動放大器的該輸出與該節點之間，而該第四電阻器係 耦接於該節點與該電晶體的該控制電極之間。 -16-