TWI323979B - Lc oscillator with wide tuning range and low phase noise - Google Patents

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TWI323979B TW092115527A TW92115527A TWI323979B TW I323979 B TWI323979 B TW I323979B TW 092115527 A TW092115527 A TW 092115527A TW 92115527 A TW92115527 A TW 92115527A TW I323979 B TWI323979 B TW I323979B
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Description

1323979 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明一般與無線通訊領域有關，更特定言之，本發明 與鎖相迴路之電壓控制振盪器有關。 【先前技術】 鎖相迴路（Phase Locked Loops ; PLL)廣泛應用於（例如）無線 通訊系統及其他產品之領域。在許多應用中，該PLL具有非 常嚴格的性能需要。在一典型無線系統中，可以有一個以 上的PLL電路11〇、120。例如，圖1所表示為採用一超外差架 構100的一接收器之一典型方塊圖。熟悉技術人士應瞭解各 種方塊及其功能，所以在此就不進一步說明該方塊圖之詳 情。
用於無線通訊系統的PLL為調變及解調變處理提供一高 度穩定的載波信號。該載波信號應具有足夠的光譜純度（常 表示為該PLL中的該電壓控制振盛器（voltage-controlled oscillator ; VCO)之相位雜訊特徵）並支援所想要的頻帶中之 所需頻道間隔。例如，南韓行動電話標準包括IS-95標準， 其用於分碼多向近接（Code Division Multiple Access ; CDMA) 數位服務，頻率約為900 MHz及1700 MHz。歐洲行動電話標 準包括全球行動通訊系統（Global System For Mobile Communications ; GSM)，其運作頻率為900 MHz頻帶；及防 衛通訊系統（Defense Communications System ; DCS)，頻率範圍 為1800 MHz。雖然佔有的頻帶類似，但是依據特定標準， 該PLL所需頻道間隔卻有差別。例如，IS-95標準需要具有一 10 KHz頻道光柵的1.25 MHz頻道間隔，另一方面，GSM及DCS 85692 1323979 可變電容器用以控制 成一可變電感器不容易，所以可將一 該VCO之頻率。 採用離散儲能電路、某些被動組件及主動元件來設計 該VCO較為普遍。但是此方法會導致大的電路面積及=成 本。瑕近的趨勢為將該等功能性區塊變成單石積體電路形 式。在設計一完全積體LC振盪器中最困難的因素係保證在 處理及環境變化下的穩定運作。在矽上生長的一電容器或 電感器之變化在最差情況下超過10%。參照方程式（2)，可 以發現在此情況下該運作頻率的變化之百分比也變為 1〇0/。。因此，該VCO之總運作範圍應涵蓋該頻率偏移及所想 要的頻率範圍。但是，寬調整範圍與為達到低相位雜訊^ 徵的小增益之設計目標相抵觸。 上述介於該低雜訊與該寬調整範圍之間的取捨已採用各 種離散調整方法解決。圖3表示依據相關技術的一 vc〇之一 示意圖。共振LC電路3 10控制該振盪器300之頻率❶LC電路 310包括一電容器312、電感器314、變容二極體316及320以及 開關318。在運作中，在該pll未達到鎖定時，該等變容二 極體316則有選擇性地切換以控制該vc〇之頻率。在該vc〇 之運作頻率比所想要的頻率快時’更多開關會閉合以減小 該VCO之運作頻率，反之亦然。在圖3之相關技術電路中， 電容器312的值並不重要’因為有變容二極體316及320之電 容。 相關技術VCO之LC電路具有各種缺點。例如，參照圖3， 在開關318之關閉狀態時就沒有直流電流路徑。因此，一對 85692 •10· 1323979 應二極體3 16之一浮動端子的一偏壓位準未知而且對於洩 漏非常敏感。在此類浮動端子之一原始偏壓狀況太高或低 時，其可極大影響該元件之可靠性。 圖4、5A及5B表示類似相關技術VCO，在一差動實施方案 中除外，而且其中一等效電容器已替代用於每個變容二極 體。如圖4所示，除SW(1)及SWB(l)以外的所有開關都閉合， 因而注意力就集中在該等浮動節點NSC(l)及NSCB(l)之狀 態上。若假定該浮動端子之該原始偏壓電壓與該振盪器之 共同模式電壓相同，則該浮動端子之波形幾乎與該振盪器 輸出之波形相同，而在性能方面只會呈現出極小的劣化或 無劣化。 但是，圖5A說明以下情況：其中一定量的正電荷係儲存 在電容器板中，該電容器板恰好在斷開該開關SW( 1)後與 NSC(l)連接，而且其中一定量的負電荷係儲存在電容器 SCB( 1)之另一板中。因為在關閉狀態期間沒有直流電流路 徑，所以該NSC(l)節點與該OUT節點之間具有一正偏移電 壓。若該偏移電壓過大，則該等開關就會損壞，而且該VCO 之可靠性可能降低。 圖5B說明另一不想要的情況。在一 NMOS開關用以控制該 可切換電容器時，該汲極接面可正向偏壓。因為此種寄生 接面具有一非常低的品質因素，所以在此情況下的相位雜 訊性能將嚴重降低。 熟悉技術人士應瞭解還存在其他問題及缺點。美國專利 第6，137,372及5,739,730號為相關技術系統之範例。 85692 -11 - 1323979 以上參考係以引用的方式併入此文中，其適用於額外或 其他詳情、特徵及/或技術背景之適當原理。 【發明内容】 如此處所包含並廣泛說明，本發明提供能克服先前技術 之上述缺點的元件及方法。因此，本發明之具體實施例提 供一系統，其包括：至少一調整電路，其運作性與一振後 器耦合，其中該調整電路包括：一電阻器、一無功元件 (reactive element)及一第一開關，其中該第一開關與該無功 元件串聯並耦合及解耦合該無功元件與該振盪器之一輸 出，且其中該電阻器提供一偏壓電壓至該無功元件以便在 該第一開關斷開時該無功元件具有一偏壓電壓。 此外，本發明之具體實施例提供一裝置，其包括：一主 動振盪器，其中該主動振盪器包括一第一輸出節點及一第 二輸出節點；一電感器，其中該電感器耦合該第一輸出節 點與該第二輸出節點；以及至少一電容電路，其耦合至該 第一輸出節點或該第二輸出節點，每個電容電路都包括： 一電容器、一電阻器及一第一開關，其中在該第一開關斷 開時該電阻器提供一偏壓電壓至該電容器，且其中該第一 開關係與該電容器串聯並耦合及解耦合該電容器與該振盪 器之該輸出。 另外，本發明之具體實施例提供一種用以調整一振盪器 電路的方法，該方法包括：經由一電阻器提供一偏壓電壓 至一無功元件以便在一第一開關斷開時該無功元件具有一 偏壓電壓；以及採用該第一開關來耦合及解耦合該無功元 85692 -12· 1323979 及628可以為半導體開關元件，如電晶體及同等者。 如圖6所示，該調整電路620為共振電路630之一部分。熟 悉技術人士應瞭解共振電路630可包括額外元件，如電感 器、電容器及電阻器。在第一開關626斷開或閉合時，無功 元件624係分別從該共振電路630移除或增加。因此，該第一 開關626可改變該共振電路630之該等特徵，因而改變該VCO 之頻率。此外，額外調整電路可增加至共振電路630以增加 控制範圍。而且，熟悉技術人士應瞭解圖6之該調整電路可 用於單端或差動型振盪器中，因為所增加的調整範圍及改 善的相位雜訊性能對於二種類型的振盪器都有利。 圖7為說明依據本發明之具體實施例的一電壓控制振盪 器之一示意圖。如圖7所示，該電路最好包括主動振盪器電 路702。圖7所示的電路為一差動實施方案，其具有輸出節 點OUT 706及OUTB 708。一電感器704最好係與該等輸出節 點OUT 706及OUTB 708耦合。具有以串聯形式與一開關718 耦合的一電容器722之二個或多個電路也可與OUT 706耦 合。該電容器722係與該輸出節點706及開關718耦合。開關 718最好為與一參考電壓耦合的一電晶體開關，該參考電壓 可以為如圖7所示的一接地電壓。此外，該電路最好包括以 串聯形式耦合的電阻及開關，如一外顯電阻器710，其與電 晶體開關714串聯耦合。該外顯電阻器710的一端係與電容器 722及電晶體開關718之共同節點耦合，而該電晶體開關714 係耦合於電阻器710之另一端與一偏壓電壓VA之間。最好就 該輸出節點OUTB 708存在類似組件及連接。例如，一電容 85692 -14- 1323979 點OUT 806及OUTB 808。一電感器804最好係耦合於該等輸 出節點OUT 806與OUTB 808之間。包括一電容器822、一電 阻（表示為一外顯電阻器81〇)及一開關814或同等者（如一電 晶體）之一串聯電路最好在該電容器822之一端子及該電晶 體開關814之一端子處與該輪出節點out 806耦合，該等端 子為該串聯電路之相對端。另外，一開關818或同等者（例 如一電晶體）最好係耦合於作為接地電壓的一參考電壓與 該電容器822及該電阻器81 〇之一共同節點之間。類似電路可 與該輸出節點0UTB 808輕合。例如，包括電容器822、電阻 器812及電晶體開關816的一串聯電路可藉由電容器822之一 端子及電晶體開關816之一端子（該串聯電路定位於.二者之 間）與該輸出節點0UTB 808耦合。電晶體開關82〇最好係耦合 於接地與該電容器822及該電阻器812之一共同節點之間。熟 悉技術人士應瞭解電容器822可以具有相同或不同值。同樣 地，該等相關電阻器及開關可以具有相同或不同值，此由 每個應用之特定設計需要所決定。 在圖8所示的具體實施例中，在該關閉狀態時不需要額外 偏壓電路。相反地，在該LC振堡器中的該主動電路之共同 模式電壓提供一適當的直流偏壓至未與該振盪器輸出連接 的該電容器之另一端子。而且，在VCO 800中，電晶體開關 814及816之一尺寸可以非常小。因此，電晶體開關814及816 之額外寄生電容並不大。 圖9為說明依據本發明之具體實施例的一電壓控制振盪 器之一示意圖。如圖9所示的一 VCO 900最好包括主動振盪 85692 -16- 1323979 器電路902。圖9所示的VCO 900也為一差動組態，其具有輸 出節點OUT 9〇6及OUTB 908。電感器904最好係耦合於該等 輸出節點OUT 906與OUTB 908之間。另外，一電容器922最 好係以串聯形式與一開關918 (例如一電晶體）镇合，其中電 容器922之剩餘端子係與該輸出節點out 906耦合而電晶體 開關918之剩餘端子係與接地耦合。最好具有一外顯電阻， 其最好為電阻器910’該電阻器係耦合於該電容器922及該電 晶體開關918之一共同節點與一偏壓電壓v a之間。類似電路 最好係與輸出節點〇UTB9〇8耦合。例如，一電容器922最好 係乂串耳外形式與電晶體開關92〇搞合，异中該電容器922之一 剩餘端子係與孩輸出節點〇υτβ 9〇8耦合，而該電晶體開關 剩餘端子係與接地耦合。一外顯電阻器912最好係耦 丑^〜偏壓電壓VA與該電容器922及該電晶體開關920之一 Y ^ 17 4之間。热悉技術人士應瞭解電容器922可以具有相 ^ ^不同值。同樣地’該等相關電阻器及開關可以具有相 σ i不同值’此由每個應用之特定設計需要而決定。 除了 Ξ 9所示的具體實施例中，因性能降低或損耗受限而消 顯電阻^ ^開關（例如圖8中的開關814及816)。此係因為外 週期時—910及912之包阻係經過選擇，以便在開關918及920 應瞭解^電阻器不會極太改變運作特徵。熟悉技術人士 定振湯I ^益91G及912的適當值係、根據經驗決^，用於一既 及920;=計(例如電容、頻率範圍及同等者)。在開關— 端子最 ^減小^ %谷時，未與該振盪器輸出耦合的另一 具有其直流偏壓電壓，其實質上與該振盪器902之 85692 -17· 1323979 共同模式電壓相同。 上述具體實施例可用於相關技術中所說明的接收器及 PLL電路。此外，熟悉技術人士應瞭解本發明之具體實施例 可用於採用或可以採用一 PLL或VCO的任何元件。例如，本 發明之具體實施例可包括一PLL、一接收器、一發射器、一 收發器、一無線通訊元件、一基地台或一行動單元（例如行 動電話、PDA、尋呼機及同等者）。 如上所述，一 VCO電路及方法之較佳具體實施例具有各 種優點。該等較佳具體實施例提供一 PLL之一較大的調整範 圍。此外，該等較佳具體實施例減小或消除與該VCO調整 電路之開啟及關閉狀況有關的問題。另外，該等電晶體開 關之尺寸可以減小。 而且，熟悉技術人士應瞭解在以上說明中所揭示用以調 整具有一振盪器電路的一元件之方法。例如，該等方法包 括經由一偏壓電阻器提供一偏壓電壓至一無功元件，以便 在一第一開關斷開時該無功元件具有一偏壓電壓；採用該 第一開關來耦合或解耦合該無功元件與該振盪器電路；以 及藉由一第二開關耦合該偏壓電阻器與該偏壓電壓。此 外，該方法可包括若該第一開關閉合，則該第二開關斷開； 若該第一開關斷開·，則該第二開關閉合。該方法可應用於 多種元件，如一 PLL、一接收器、一發射器、一收發器、一 無線通訊元件、一基地台及/或一行動單元。 上述具體實施例及優點僅為範例性而不應理解為用以限 制本發明。熟悉技術人士應瞭解本發明容易在其他種類的 85692 -18- 電晶體開關 開關 電晶體開關 電容器 電壓控制振盪器 主動振盪器電路 電感器 輸出節點OUT 輸出節點OUTB 外顯電阻器 電阻器 電晶體開關 電晶體開關 開關 電晶體開關 電容器 電壓控制振盪器 主動振智器電路 電感器
輸出節點OUT
輸出節點OUTB 電阻器 外顯電阻器 開關 電容器 -21 -

Claims (1)

1323979
第092115527號專利申請案 中文申請專利範圍替換本(98年10月） 拾、申請專利範圍： 1. 一種用於調整振盪器之系統，其包括： 至少一調整電路，其運作性地與一振盪器耦合，其中 該調整電路包括： 一電阻器； 一無功元件； 一第一開關，其中該第一開關係與該無功元件電連 接，並根據一控制信號耦合及解耦合該無功元件至該振 盪器之一輸出，且其中該電阻器提供一偏壓電壓至該無 功元件以便在該第一開關斷開時該無功元件具有一偏壓 電壓；以及 一第二開關，其中當該第一開關解耦合該無功元件 時，該第二開關根據該控制信號耦合該電阻器至該偏壓 電壓，且當該第一開關耦合該無功元件時，該第二開關 從該偏壓電壓解耦合該電阻器。 2. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該無功元件為一電容 器。 3. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該偏壓電壓為由一電 阻器分壓器所產生的一電壓、一接地電壓、一電源電壓 及該振盪器輸出之一共同模式電壓之至少一個。 4. 如申請專利範圍第3項之系統，其中來自該電阻器分壓器 的該偏壓電壓範圍係從一接地電壓至一電源電壓。 5. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該電阻器可定尺寸以 便該偏壓電壓可持續與該電阻器耦合，而且在第一開關 閉合時該偏壓電壓不會實質上改變該至少一調整電路之 85692-981005.doc 1323979 運作特徵。 6. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該第一開關為一半導 體元件。 7. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該第一開關為一電晶 體而該第二開關則為小於該第一開關的一電晶體。 8. 如申請專利範圍第1項之系統，其進一步包括複數個調整 電路。 9. 如申請專利範圍第8項之系統，其中在該等複數個調整電 路之每個中的各無功元件為一電容器，而且其中每個電 容器之電容都相同。 10. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該系統為一主動振盪 器電路、一 PLL、一接收器、一發射器、一收發器、一 無線通訊元件、一基地台及一行動單元之至少一個。 11. 一種用於調整振盪器之裝置，其包括： 一主動振盪器，其中該主動振盪器包括一第一輸出節 點及 一弟一輸出卽點， 一電感器，其中該電感器耦合該第一輸出節點與該第 二輸出節點；以及 至少一電容電路，其與該第一輸出節點或該第二輸出 節點耦合，該至少一個電容電路包括：一電容器、一電 阻器及一第一開關，其中在該第一開關斷開時該電阻器 提供一偏壓電壓至該電容器，而且其中該第一開關係與 該電容器串聯並耦合及解耦合該電容器至該振盪器之該 輸出，其中該電容器耦合該第一開關至該第一或第二輸 85692-981005.doc •2· 1323979 出節點之一，該第一開關轉合 準’及該電阻ϋ在該電容㈠;1容至—接地電屋位 上’耦合至該電容器及該第：㈤關的-共用點 12·如申請專利範圍第π項之I置1 電阻器分壓器所產生的一電壓、' 中該偏壓電壓為由- 壓及該振盪器輸出之一共同模接地電壓、-電源電 13.如申請專利範圍第_之裝二：之至少-個。 包括-第二開關而且該第二备該至少—電容電路 與該偏壓電壓。 耦。及解耦合該電阻器 其中該第二開關係與電 為該振盪器輸出之一共 14.如申請專利範圍第13項之裝置， 阻器串聯，而且其中該偏壓電壓 同模式電壓。 其中該至少一電容電路 —開關閉合；以及 一開關斷開β ’其中該裝置為一PLL、_ '一無線通訊元件、一 15. 如申請專利範圍第13項之裝置 係設定組態以便： 若該第一開關斷開，則該第 若該第一開關閉合，則該第 16. 如申請專利範圍第11項之裝置 接收器 '一發射器、一收發器 地台及一行動單元之至少一個 I7. —種用以調整一振盪 經由-電阻器提供一偏壓電壓至—無功元件 一第一開關斷開時該無功元件具有—偏壓電壓. 根據-控制信號以使該第一開關來輕合及解輕 功元件至該振i器之—輸出，從而調整該振羞器之^ 85692-981005.doc -3 - 1323979 在該第一開關解耦合該無功元件時經由一第二開關耦 合該電阻器與該偏壓電壓；以及 在該第一開關耦合該無功元件時經由該第二開關解耦 合該電阻器與該偏壓電壓。 85692-981005.doc 1323979 第092115527號專利申請案 中文圖式替換頁(98年10月）|年Θ日修正替换頁
<00 -2- 85692-981005.doc
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