TWI492519B - 電感電容式壓控振盪器電路 - Google Patents

電感電容式壓控振盪器電路 Download PDF

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Description

電感電容式壓控振盪器電路
本發明是有關於一種電感電容式壓控振盪器電路。
在目前無線通訊系統中，電感電容式壓控振盪器(inductance/capacitance voltage control oscillator,LC VCO)的效能有多個因素需要考慮，包括相位雜訊(Phase Noise)、以及可調頻寬(Tuning Range)。要同時達到這些特性，一般可以採用切換電容的機制，其可以降低電感電容式壓控振盪器(LC VCO)的增益(Kvco)以得到較低的相位雜訊，同時有寬的可調頻寬。
然而在不同的頻率的電感電容式壓控振盪器的電感Q值(Quality Factor)變化很大，造成電感電容式壓控振盪器在所有頻率操作時，有難於得到適當的相位雜訊，且輸出振幅變化很大，電感電容式壓控振盪器後的緩衝器(Buffer)和混頻器(Mixer)不易設計，同時也可能會有大的功耗浪費。
本發明提供可以自動偵測和調整壓控振盪器輸出振幅的大小的技術。對於操作頻率可以節省功耗和有較佳的相位雜訊(Phase Noise)，且能輸出大致上固定的振幅。
本發明提供一種電感電容式壓控振盪器電路，包括一電感電容式壓控振盪單元、一振幅偵測器以及一處理單元。電感電容式壓控振盪器接收一電流控制訊號，以輸出一振盪電壓訊號。振幅偵測器接收該振盪電壓訊號得到一平均電壓值。處理單元接收該平均電壓值，並依據該平均電壓值輸出該電流控制訊號以回饋給該電感電容式壓控振盪器。處理單元也偵測該平均電壓值相對該電流控制訊號是否到達一飽和狀態以及對應的一臨界電流。當該電流控制訊號到達該臨界電流以後，該電流控制訊號設定在接近該臨界電流的一變化範圍內。
本發明提供一種電感電容式壓控振盪器電路，包括一電感電容式壓控振盪單元、一振幅偵測器、一比較器以及一處理單元。電感電容式壓控振盪單元接收一電流控制訊號，以輸出一振盪電壓訊號。振幅偵測器接收該振盪電壓訊號得到一平均電壓值。比較器接收一參考電壓以及該平均電壓值，以輸出一比較訊號給該處理單元，表示是否該平均電壓值達到該參考電壓的程度。處理單元接收該平均電壓值以及該比較訊號。處理單元偵測該平均電壓值相對該電流控制訊號是否到達一飽和狀態以及對應的一臨界電流。該處理單元在該平均電壓值尚未達到該臨界電流時，根據該平均電壓值或是該比較訊號，以提供該電流控制訊號以控制該電感電容式壓控振盪單元。當該電流控制訊號到達該臨界電流以後，該電流控制訊號設定在接近該臨界電流的一變化範圍內。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
本發明針對一般的電感電容式壓控振盪器電路的效能進行分析。當電容越大時其振盪頻率會越低，但是LC的Q值會變小，造成相位雜訊(Phase Noise)變大，且輸出振幅變小。
圖1繪示一種電感電容式壓控振盪器電路示意圖。參閱圖1，電感電容式壓控振盪器電路包括一電感電容式壓控振盪器(LC VCO) 100，一振幅偵測器(peak detector) 120，一比較器130以及一數位狀態單元(Digital State Unit) 140。
電感電容式壓控振盪器100包括一電流源單元102以及一電感電容(LC)電路104。電感電容(LC)電路104又例如包括由閘極與源極交叉連接的一對場效電晶體106a,106b；一對半導體電容器108a，108b；以及一電感器110所組成。電感電容式壓控振盪器100例如輸出兩個振盪的正弦波電壓訊號Vo+與Vo-，其相互有180度相位差。
振幅偵測器120接收正弦波電壓訊號Vo+與Vo-，以偵測出輸出直流的平均電壓值，代表輸出訊號的電壓振幅。
電流源單元102的電流大小會改變輸出的電壓振幅。為了達到預定的電壓振幅，其電流需要往上增加。比較器130接收振幅偵測器120輸出的平均電壓值以及一參考電壓值而，輸出一比較訊號給數位狀態單元140，數位狀態單元140據以得知目前的電壓輸出狀態，而輸出電流控制訊號給電感電容式壓控振盪器100的電流源單元102。電流源單元102例如是由M個電流源單元所組成，而數位狀態單元140輸出的電流控制訊號也例如是M位元的訊號，可以決定M個電流源單元的啟動狀態，因此達到電流的控制。
在圖1的電感電容式壓控振盪器電路中，為了易於描述，電感電容式壓控振盪器100的輸出電流以Ib表示，其輸出振幅以Vo表示，相位雜訊以PN表示，輸出振幅的最大值以Vmax表示。本發明分析在圖1的電感電容式壓控振盪器電路的效能發現，輸出振幅Vo會有飽和現象，且發生飽和時，其相位雜訊會處於最小值。也就是說，輸出振幅Vo不會一直隨電流Ib線性增加，且相位雜訊也不會一直隨電流Ib線性減小。
圖2A-2B繪示依據本發明，輸出振幅Vo與相位雜訊PN相對電流Ib的變化示意圖。
參閱圖2A，從輸出振幅Vo相對電流Ib的變化，在電流Ib小於臨界電流(critical current) Ic時，輸出振幅Vo會隨電流Ib有線性變化，然而在接近臨界電流Ic時，開始趨於飽和而達到最大值Vmax。換句話說，當電流Ib增加到臨界電流Ic以上時，輸出振幅Vo不再線性增加，且會飽和。於此，臨界電流Ic是用以表示以不再是線性變化而趨於飽和，因此臨界電流Ic的實際設定值可以實際的飽和現象來決定。
Vmax值在不同LC VCO電路架構相對於固定的電源電壓(power supply voltage)都是固定的，當振幅到達Vmax時，再增加電流其振幅不會再增加。
另外如果再參閱圖2B的相位雜訊PN來分析，其更可以看出臨界電流Ic會與相位雜訊PN最小值一致，相位雜訊PN在臨界電流Ic是最小值。
基於對LC VCO電路的分析後提出臨界電流Ic的偵測。當電流增加達到臨界電流Ic後，就不再繼續增加電流，如此至少可以節省功耗(power consumption)。
以下更舉一些實施例來說明，但是本發明不僅限於所舉的一些實施例，且所舉的一些實施例之間依實際需要也可以有適當的結合。
圖3繪示依據本發明一實施例，電感電容式壓控振盪器電路示意圖。參閱圖3，電感電容式壓控振盪器電路包括一電感電容式壓控振盪器100，一振幅偵測器120，以及一處理器150。
電感電容式壓控振盪器100與振幅偵測器120可以的細部電路例如是圖1的電感電容式壓控振盪器100與振幅偵測器120所述，不再詳述。
於本實施例，處理器150會根據圖2A-2B的現象做不同於圖1的處理。就整體而言，電感電容式壓控振盪器100接收一電流控制訊號，例如M位元的訊號，以輸出一振盪電壓訊號，例如是兩個振盪電壓訊號Vo+與Vo-。振幅偵測器120接收振盪電壓訊號得到一平均電壓值。處理器150，又或稱為處理單元，接收平均電壓值，並依據該平均電壓值輸出該電流控制訊號以回饋給電感電容式壓控振盪器100。處理器150也偵測平均電壓值相對電流控制訊號是否到達一飽和狀態以及對應的一臨界電流。當電流控制訊號到達該臨界電流以後，該電流控制訊號設定在接近臨界電流的一變化範圍內。於此，接近該臨界電流的變化範圍是依照實際需要的合理設定的小變化範圍，其一般約是對應相位雜訊的最小值，或是趨近電壓飽的臨界電流。
圖4繪示依據本發明一實施例，電感電容式壓控振盪器電路示意圖。參閱圖4，就圖3的處理器150，其可以再配合類比到數位轉換電路以利於分析。圖3的處理器150例如包括一類比到數位轉換(ADC)電路200與一數位訊號處理器210。類比到數位轉換電路200例如有N位元解析度，將平均電壓值轉為數位的資料。數位訊號處理器210就至少可以分析平均電壓值的變化，以及其它所需要的分析，以決定出如圖2A-2B的臨界電流Ic。
從另一個角度來看，在振幅偵測器120後接上一個類比數位轉換電路200，在類比數位轉換電路200的輸出再接上數位訊號處理器210，用來判斷和記錄振幅值大小，再輸出M位元的訊號來改變電流。
一開始當電感電容式壓控振盪器100，切換到某個頻率時，振幅偵測器120會先開始偵測振幅，再經由類比數位轉換電路200輸入數位化的振幅值給數位訊號處理器210。數位訊號處理器210會增加電感電容式壓控振盪器100的電流，然而數位訊號處理器210會一直記錄振幅大小，當再增加電流而振幅不再實質變大時，即是趨近於飽合的條件時，就停止增加電流，而此時的相位雜訊在這頻率操作下也趨近於最小。
不同振盪頻率操作時，經上述校正方法，可同時得到固定振幅振和較小的相位雜訊，且不會造成電流的浪費。
電感電容式壓控振盪器100，可經由並聯電容來增加其可調振盪頻率。
振幅偵測器120可把電感電容式壓控振盪器100的輸出振幅轉成一個直流電壓值。
數位訊號處理器210，可以控制電感電容式壓控振盪器100的電流和記錄振幅值大小，且判斷何時要停止增加電流。
透過上述的機制不斷校正，就可以得到不同振盪頻率有最佳的雜訊、固定輸出振幅和不浪費電流。
圖5繪示依據本發明一實施例，電感電容式壓控振盪器電路示意圖。參閱圖5，其與圖4類似，但是電感電容式壓控振盪器100輸出給振幅偵測器120可以是單一的振盪訊號Vo以偵測出平均電壓值，由於振幅偵測器120是要提供目前的輸出振幅的狀態，因此其界由單一的振盪訊號Vo也可以分析出來。又，振幅偵測器120內部有可以有附加的延遲電路，以得到振盪訊號Vo+與Vo-。換句話說，電感電容式壓控振盪器100的輸出不需要限於特定的方式，只要能夠用於後續分析是否輸出達到飽和的適合訊號形態都可以。
圖6繪示依據本發明一實施例，電感電容式壓控振盪器電路示意圖。參閱圖6，本實施例例如以圖4為基礎，可以與圖1的電路機制合併，振幅偵測器120的輸出可以藉由開關電路，選擇採用根據比較器130的輸出訊號，或是採用圖4的偵測機制來操作。數位訊號處理器210可根據不同的訊號來源做處理。如此，圖6的實施例有兩種模式可以選擇。
圖7繪示依據本發明一實施例，電感電容式壓控振盪器電路示意圖。參閱圖7，根據圖4的電路，其再另一種變化是圖1與圖4的電路直接合併。類比到數位轉換電路200與比較器130，都接收振幅偵測器120的輸出。數位訊號處理器210除了偵測輸出振幅是否達到飽合的條件，或是電流達到臨界電流的條件。
也就是說，圖3的處理器150或是圖7的數位訊號處理器210在平均電壓值尚未達到臨界電流時，根據平均電壓值或是比較訊號，以提供電流控制訊號以控制該電感電容式壓控振盪單元。當電流控制訊號到達該臨界電流以後，電流控制訊號設定在接近臨界電流的一變化範圍內，其例如約是臨界電流。
又，針對控制電感電容式壓控振盪器100的電流，其也可以藉由數位到類比轉換器(DAC) 220，將預定的M位元資料轉換成類比訊號。因應類比的電流控制訊號，電感電容式壓控振盪器100的電流源單元102需要因應修改為類比的電流源230，由類比電流控制訊號直接調變。
圖8繪示依據本發明一實施例，電感電容式壓控振盪器電路示意圖。參閱圖8，如果以圖6的電路為基礎，在結合圖7的電流控制機制，電感電容式壓控振盪器100的電流源單元102是類比的電流源230，以接收數位到類比轉換器(DAC) 220的類比形式的電流控制訊號。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．電感電容式壓控振盪器
102．．．電流源單元
104．．．電感電容(LC)電路
106a、106b．．．場效電晶體
108a、108b．．．半導體電容器
110．．．電感器
120．．．振幅偵測器
130．．．比較器
140．．．數位狀態單元
200．．．類比數位轉換電路
210．．．數位訊號處理器
220．．．數位到類比轉換器(DAC)
230．．．類比的電流源
圖1繪示一種電感電容式壓控振盪器電路示意圖。
圖2A-2B繪示依據本發明，輸出振幅Vo與相位雜訊PN相對電流Ib的變化示意圖。
圖3繪示依據本發明一實施例，電感電容式壓控振盪器電路示意圖。
圖4繪示依據本發明一實施例，電感電容式壓控振盪器電路示意圖。
圖5繪示依據本發明一實施例，電感電容式壓控振盪器電路示意圖。
圖6繪示依據本發明一實施例，電感電容式壓控振盪器電路示意圖。
圖7繪示依據本發明一實施例，電感電容式壓控振盪器電路示意圖。
圖8繪示依據本發明一實施例，電感電容式壓控振盪器電路示意圖。
100．．．電感電容式壓控振盪單元(LC VCO)
120．．．振幅偵測器
150．．．處理單元

Claims (11)

  1. 一種電感電容式壓控振盪器電路，包括：一電感電容式壓控振盪單元，接收一電流控制訊號，以輸出一振盪電壓訊號；一振幅偵測器，接收該振盪電壓訊號得到一平均電壓值；以及一處理單元，接收該平均電壓值，並依據該平均電壓值輸出該電流控制訊號，以回饋給該電感電容式壓控振盪單元，其中該處理單元也偵測該平均電壓值相對該電流控制訊號是否到達一飽和狀態以及對應的一臨界電流，其中當該電流控制訊號到達該臨界電流以後，該電流控制訊號設定在接近該臨界電流的一變化範圍內。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電感電容式壓控振盪器電路，其中該處理單元包括：一類比到數位電路，將該平均電壓值轉換成一數位電壓值；以及一數位處理單元，偵測該平均電壓值以得知是否達到該臨界電流，而輸出該電流控制訊號給該電感電容式壓控振盪單元。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電感電容式壓控振盪器電路，其中該處理單元輸出的該電流控制訊號是一數位訊號，其中該電感電容式壓控振盪單元的一電流源電路是包含多個電流源單元根據該數位訊號所啟動。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電感電容式壓控振盪器電路，其中該處理單元輸出的該電流控制訊號是一類比訊號，其中該電感電容式壓控振盪單元的一電流源所提供的一電流是由該類比訊號所控制。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電感電容式壓控振盪器電路，其中該電流控制訊號是對應於由該處理單元所偵測出的相位雜訊的最低值的該臨界電流。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之電感電容式壓控振盪器電路，更包括一切換電路與一比較器，該比較器接收一參考電壓以及該平均電壓值，以輸出一比較訊號給該處理單元，其中該處理單元根據該比較器的該比較訊號控制該電感電容式壓控振盪單元。
  7. 一種電感電容式壓控振盪器電路，包括：一電感電容式壓控振盪單元，接收一電流控制訊號，以輸出一振盪電壓訊號；一振幅偵測器，接收該振盪電壓訊號得到一平均電壓值；一比較器，接收一參考電壓以及該平均電壓值，以輸出一比較訊號給該處理單元，表示是否該平均電壓值達到該參考電壓的程度；以及一處理單元，接收該平均電壓值以及該比較訊號，其中該處理單元偵測該平均電壓值相對該電流控制訊號是否到達一飽和狀態以及對應的一臨界電流，其中該處理單元在該平均電壓值尚未達到該臨界電流時，根據該平均電壓值或是該比較訊號，以提供該電流控制訊號以控制該電感電容式壓控振盪單元，其中當該電流控制訊號到達該臨界電流以後，該電流控制訊號設定在接近該臨界電流的一變化範圍內。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之電感電容式壓控振盪器電路，其中該處理單元包括：一類比到數位電路，將該平均電壓值轉換成一數位電壓值；以及一數位處理單元，偵測該平均電壓值以得知是否達到該臨界電流，而輸出該電流控制訊號給該電感電容式壓控振盪單元，其中該數位處理單元也接收該比較器輸出的該比較訊號，以根據該平均電壓值或是該比較訊號，提供該電流控制訊號，以控制該電感電容式壓控振盪單元。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之電感電容式壓控振盪器電路，其中該處理單元輸出的該電流控制訊號是一數位訊號，其中該電感電容式壓控振盪單元的一電流源電路是包含多個電流源單元根據該數位訊號所啟動。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之電感電容式壓控振盪器電路，其中該處理單元輸出的該電流控制訊號是一類比訊號，其中該電感電容式壓控振盪單元的一電流源所提供的一電流是由該類比訊號所控制。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之電感電容式壓控振盪單元電路，其中該電流控制訊號是對應於由該處理單元所偵測出的相位雜訊的最低值的一臨界電流。
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