TWI440299B - Voltage controlled oscillating device - Google Patents

Description

壓控振盪裝置

本發明是有關於一種壓控振盪裝置，特別是指一種可操作於寬頻帶的壓控振盪裝置。

壓控振盪裝置常用於日常生活中的各式電子設備，例如：行動電話的無線收發系統、高頻量測儀器，或類比數位廣播系統中，主要的作用是將較低頻率之原始訊號提昇至較高頻率的載波。

參閱圖1，一種壓控振盪裝置9包括一電感電容共振電路91、一交錯耦合對92及一壓控電流源93。

交錯耦合對92包括兩個NMOS電晶體M₁ 、M₂ ，且彼此的閘極與另一方的汲極交叉連接，壓控電流源93用以提供固定電流給NMOS電晶體M₁ 、M₂ 的源極；交錯耦合對92的輸入阻抗可視為一負電阻，該負阻抗的絕對值等於電感電容共振電路91的電阻值以抵銷電感電容共振電路91的寄生電阻，當負阻抗的絕對值大於電感電容共振電路91的電阻值時，就可使交錯耦合對92產生一振盪訊號。

電感電容共振電路91包括兩組電感器L_D1 、L_D2 、一連接於兩組電感器L_D1 、L_D2 之間的變容器911、一偏壓電阻R_B 、一固定電壓端V_DD 、一控制電壓端V_ctrl 及兩輸出端、；其中，兩組電感器L_D1 、L_D2 的等效電感值為L，變容器911的等效容值為C，用以產生共振頻率1/2π。若希望調整輸出頻率，則可改變控制電壓端V_ctrl 的控制電壓以使變容器911的電容值改變，如此一來，壓控振盪裝置9的兩輸出端所輸出的振盪訊號的頻率也隨之改變。

但是，電感電容共振電路91的變容器911的可調容值範圍C_min 至C_max ，僅能得到有限的頻率範圍；1/2π至1/2π，無法得到較寬頻帶範圍；另外，壓控振盪裝置9的相關參數有輸出電壓振幅、相位雜訊等，一般希望輸出電壓的振幅較大以降低相位雜訊。

因此，本發明之目的，即在提供一種可以得到較寬頻帶範圍、輸出電壓的振幅較大，及降低相位雜訊的壓控振盪裝置。

於是，本發明壓控振盪裝置包括一電感電容共振電路、一交錯耦合對及兩組回授變容器。

該電感電容共振電路具有一接收一第一控制電壓的第一控制端及兩輸出端，並具有電性連接該第一控制端及兩輸出端的一電感模組及一電容模組，且該電感模組及該電容模組隨著該第一控制電壓變化而改變輸出的一振盪訊號的頻率。

該交錯耦合對包括分別電性連接兩輸出端的兩個NMOS電晶體，且彼此的閘極與另一方的汲極交叉連接，並且經由該電感模組連接該壓控振盪裝置正偏壓源，該交錯耦合對產生之負阻抗的絕對值大於該電感電容共振電路的等效電阻值，使該交錯耦合對產生該振盪訊號。

各回授變容器分別具有二連接端，且各回授變容器的二連接端分別跨接於各該NMOS電晶體的汲極端及源極端，並各具有共用一第二控制電壓供作同步調整的一第二控制端，令該振盪訊號的頻率調整範圍Δf 為：

其中，L _{D 1 1} 為該電感模組之等效電感值、ΔC _var1 為該電容模組之等效可調電容值，及ΔC _var2,3 為該兩組回授變容器的等效可調電容值。

本實施例中，所述之壓控振盪裝置還包括兩組分別連接在各該NMOS電晶體的源極端的電感器，令該振盪訊號的頻率調整範圍Δf 為：

其中，L _{D 11} 為該電感模組之等效電感值、L _S 為該兩組電感器之等效電感值、ΔC _var1 為該電容模組之等效可調電容值，及ΔC _var2,3 為該兩組回授變容器的等效可調電容值。

本實施例中，所述之壓控振盪裝置還包括兩組分別連接在各該NMOS電晶體的汲極端及各該輸出端之間的緩衝放大器，各該緩衝放大器的閘極端經由該電感模組連接該壓控振盪裝置正偏壓源。

本實施例中，所述壓控振盪裝置的各該緩衝放大器配合一緩衝放大器正偏壓源，並包括一共源級電晶體、一輸出電感、一基極電阻及一輸出電容，該共源級電晶體之源極端連接地，該共源級電晶體之閘極端係接收該電感電容共振電路輸出之振盪信號，該共源級電晶體之基極端經由該基極電阻連接到基極偏壓，該共源級電晶體之汲極端則經由該輸出電感連接該緩衝放大器正偏壓源。

本發明的壓控振盪裝置之功效在於：藉由設置兩組回授變容器以增加振盪訊號的頻率調整範圍，並且藉由設置兩組回授變容器使壓控振盪裝置之輸出電壓的振幅增加，同時降低相位雜訊。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參閱圖2，本發明之較佳實施例中，壓控振盪裝置100包括一電感電容共振電路2、一交錯耦合對3及兩組回授變容器11、12。

電感電容共振電路2具有一接收一第一控制電壓V_ctrl1 的第一控制端101及兩輸出端211、212，並具有電性連接第一控制端101及兩輸出端211、212的一電感模組21及一電容模組22，且該電容模組22隨著該第一控制電壓V_ctrl1 變化，於輸出端211、212輸出的振盪訊號的頻率也隨之改變而改變。

交錯耦合對3包括分別電性連接兩輸出端211、212的兩個NMOS電晶體M₁ 、M₂ ，且彼此的閘極與另一方的汲極交叉連接，並且經由該電感模組21連接該壓控振盪裝置正偏壓源201，該交錯耦合對3產生之負阻抗的絕對值大於電感電容共振電路2的等效電阻值，使交錯耦合對3產生該振盪訊號。

回授變容器11具有二連接端111、112，回授變容器12分別具有二連接端121、122，連接端111、112及連接端121、122分別跨接於NMOS電晶體M₁ 、M₂ 的汲極端及源極端，並各具有共用一第二控制電壓V_ctrl2 供作同步調整的一第二控制端102。

本實施例中，交錯耦合對3的兩個NMOS電晶體M₁ 、M₂ 的汲極端與源極端之間分別連接回授變容器11、12，各回授變容器11、12採用的電容使用相同規格，使左右兩邊的回授路徑完全對稱，再將各回授變容器11、12接到同一組第二控制端102，利用第二控制電壓V_ctrl2 做輸出頻率的同步調整。

本實施例中，壓控振盪裝置100還包括兩組分別連接在各該NMOS電晶體M₁ 、M₂ 的汲極端及各輸出端402、403之間的緩衝放大器41、42，各該緩衝放大器41、42的閘極端經由該電感模組21連接該壓控振盪裝置正偏壓源201。

本實施例中，兩緩衝放大器41、42配合連接一緩衝放大器正偏壓源401，且兩緩衝放大器41、42分別包括一共源級電晶體M₃ 、M₄ 、一輸出電感L_D21 、L_D22 、一基極電阻R_B 　及一輸出電容C_o1 、C_o2 ，各共源級電晶體M₃ 、M₄ 之源極端連接地，各共源級電晶體M₃ 、M₄ 之閘極端係接收電感電容共振電路2輸出之振盪信號，各共源級電晶體M₃ 、M₄ 之基極端經由該基極電阻R_B 連接到基極偏壓V_B ，各共源級電晶體M₃ 、M₄ 之汲極端則經由輸出電感L_D21 、L_D22 連接緩衝放大器正偏壓源401。

在加入兩組回授變容器11、12的情況下，電感電容共振電路2輸出的振盪訊號為如公式1的頻率調整範圍Δf 。

其中，L _{D 11} 為電感模組21之等效電感值、ΔC _var1 為電容模組22之等效可調電容值，及ΔC _var2,3 為兩組回授變容器11、12的等效可調電容值。

本較佳實施例中，所述壓控振盪裝置100還包括兩組分別連接在各該NMOS電晶體M₁ 、M₂ 的源極端的電感器L_S1 、L_S2 ，在加入電感器L_S1 、L_S2 的情況下，電感電容共振電路2輸出的振盪訊號如公式2的頻率調整範圍Δf 。

其中，各參數可參考公式1，且L _S 為兩組電感器L_S1 、L_S2 之等效電感值。

從公式1及公式2可以觀察到：具有兩組回授變容器11、12的壓控振盪裝置100的調整頻率範圍會比沒有回授變容器11、12的壓控振盪器來的寬，而加上回授變容器11、12後不僅可以增加壓控振盪器調整頻寬，還可以增加輸出電壓擺幅，改善相位雜訊。

如吾人所知，壓控振盪裝置100使用CMOS製程的壓控振盪器電路的相位雜訊受限於共振腔的電感或是變電容的品質因素(Q factor)，在本較佳實施例中，電感器L_D11 、L_S1 在頻率為24 GHz的品質因素分別為18.6和34.6，此外，本較佳實施例使用累增型(accumulation mode)變容器，累增型變容器具有較高的電容品質因素，使用累增型變容器可以達到高品質因素的共振腔，展現低相位雜訊的特性；此外，壓控振盪裝置100以台積電0.18-μm Mixed Signal RF CMOS製程技術製造，再藉由實際量測所得到的驗證值。

參閱圖3，以未加入回授變容器11、12的壓控振盪裝置為例，輸出的振盪頻率只能利用第一控制電壓V_ctrl1 調控振盪頻率，其振盪頻率範圍約為20.2至23.1GHz；但是，加入回授變容器11、12後，壓控振盪裝置100輸出的振盪頻率不僅可以使用第一控制電壓V_ctrl1 控制，第二控制電壓V_ctrl2 也可以控制振盪訊號的輸出頻率，因此可以大幅增加壓控振盪裝置100的頻率調整範圍。

參閱圖4，比較本發明的壓控振盪裝置100未加回授變容器11、12及加入回授變容器11、12的汲極端的輸出電壓擺幅，加入回授變容器11、12明顯比未加回授變容器11、12具有較大的電壓擺幅。

參閱圖5，比較本發明的壓控振盪裝置100未加回授變容器11、12及加入回授變容器11、12的相位雜訊，也可得到未加入回授變容器11、12的相位雜訊在偏移載波頻率1 MHz是-105.8 dBc/Hz，而在加入回授變容器11、12後，得到的相位雜訊是-108.1 dBc/Hz，可知本發明的壓控振盪裝置100加入回授變容器11、12明顯可降低其相位雜訊。

綜上所述，本發明的壓控振盪裝置100之功效在於：藉由設置兩組回授變容器11、12以增加振盪訊號的頻率調整範圍，並且藉由設置兩組回授變容器11、12使壓控振盪裝置100之輸出電壓的振幅增加，同時降低相位雜訊，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

[習知]

9．．．壓控振盪裝置

91．．．電感電容共振電路

911．．．變容器

92．．．交錯耦合對

93．．．壓控電流源

[本創作]

100．．．壓控振盪裝置

101．．．第一控制端

102．．．第二控制端

11、12．．．回授變容器

111、112、121、122．．．連接端

2．．．電感電容共振電路

201．．．壓控振盪裝置正偏壓源

21．．．電感模組

211、212、402、403．．．輸出端

22．．．電容模組

3．．．交錯耦合對

41、42．．．緩衝放大器

401．．．緩衝放大器正偏壓源

C_o1 、C_o2 ．．．輸出電容

L_D11 、L_D12 ．．．電感

L_D21 、L_D22 ．．．輸出電感

L_S1 、L_S2 ．．．電感器

M₁ 、M₂ ．．．電晶體

M₃ 、M₄ ．．．共源級電晶體

R_B ．．．基極電阻

V_B ．．．基極偏壓

V_buf ．．．緩衝放大器正偏壓

V_ctrl1 ．．．第一控制電壓

V_ctrl2 ．．．第二控制電壓

V_DD ．．．壓控振盪裝置正偏壓

圖1是一電路圖，說明現有的壓控振盪裝置；

圖2是一電路圖，說明本發明的壓控振盪裝置的較佳實施例；

圖3是一曲線圖，說明本發明的壓控振盪裝置利用第一控制電壓及第二控制電壓調控不同範圍的振盪頻率；

圖4是一曲線圖，說明本發明的壓控振盪裝置未加回授變容器及加入回授變容器的輸出電壓的電壓擺幅；及

圖5是一曲線圖，說明本發明的壓控振盪裝置未加回授變容器及加入回授變容器的相位雜訊。

100．．．壓控振盪裝置

101．．．第一控制端

102．．．第二控制端

11、12．．．回授變容器

111、112、121、122．．．連接端

2．．．電感電容共振電路

201．．．壓控振盪裝置正偏壓源

21．．．電感模組

211、212、402、403．．．輸出端

22．．．電容模組

3．．．交錯耦合對

41、42．．．緩衝放大器

401．．．緩衝放大器正偏壓源

C_o1 、C_o2 ．．．輸出電容

L_D11 、L_D12 ．．．電感

L_D21 、L_D22 ．．．輸出電感

L_S1 、L_S2 ．．．電感器

M₁ 、M₂ ．．．電晶體

M₃ 、M₄ ．．．共源級電晶體

R_B ．．．基極電阻

V_B ．．．基極偏壓

V_buf ．．．緩衝放大器正偏壓

V_ctrl1 ．．．第一控制電壓

V_ctrl2 ．．．第二控制電壓

V_DD ．．．壓控振盪裝置正偏壓

Claims (4)

1. 一種壓控振盪裝置，包括：一電感電容共振電路，具有一接收一第一控制電壓的第一控制端及兩輸出端，並具有電性連接該第一控制端及兩輸出端的一電感模組及一電容模組，且該電感模組及該電容模組隨著該第一控制電壓變化而改變輸出的一振盪訊號的頻率；一交錯耦合對，包括分別電性連接兩輸出端的兩個NMOS電晶體，且彼此的閘極與另一方的汲極交叉連接，該交錯耦合對產生之負阻抗的絕對值大於該電感電容共振電路的等效電阻值，使該交錯耦合對產生該振盪訊號；及兩組回授變容器，分別具有二連接端，且兩組回授變容器的二連接端分別跨接於各該NMOS電晶體的汲極端及源極端，兩組回授變容器各具有共用一第二控制電壓供作同步調整的一第二控制端。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之壓控振盪裝置，還包括兩組分別連接在各該NMOS電晶體的源極端的電感器。
3. 依據申請專利範圍第1或2項所述之壓控振盪裝置，還包括兩組分別連接在各該NMOS電晶體的汲極端及各該輸出端之間的緩衝放大器，各該緩衝放大器的閘極端經由該電感模組連接該壓控振盪裝置正偏壓源。
4. 依據申請專利範圍第3項所述之壓控振盪裝置，其中，各該緩衝放大器配合一緩衝放大器正偏壓源，並包括一共源級電晶體、一輸出電感、一基極電阻及一輸出電容，該共源級電晶體之源極端連接地，該共源級電晶體之閘極端係接收該電感電容共振電路輸出之振盪信號，該共源級電晶體之基極端經由該基極電阻連接到基極偏壓，該共源級電晶體之汲極端則經由該輸出電感連接該緩衝放大器正偏壓源。