TWI628913B

TWI628913B - Voltage controlled oscillator

Info

Publication number: TWI628913B
Application number: TW106113287A
Authority: TW
Inventors: 林佑昇; 藍楷翔; 廖晉佑
Original assignee: 國立暨南國際大學
Priority date: 2017-04-20
Filing date: 2017-04-20
Publication date: 2018-07-01
Also published as: US10250188B2; TW201840124A; US20180309407A1

Abstract

一種壓控振盪器，包含一共振單元、一耦合單元及一源極退化單元，該共振單元包含兩第一電感及兩第一可變電容，該第一電感與該第一可變電容電性連接，該耦合單元包含一第一電晶體及一第二電晶體，該第一和第二電晶體的一電源輸入端與該共振單元電性連接，該源極退化單元包含兩可調電感、兩第四電感及兩第二可變電容，該可調電感分別與該第一和第二電晶體的一電源輸出端連接，該第二可變電容分別與該可調電感和該第四電感電性連接，其中調整該可調電感的一等效電感值，以使從該電源輸入端往遠離該共振單元方向的一輸入阻抗值為一負電容特性。

Description

一種壓控振盪器

本發明為有關一種壓控振盪器，尤指一種具有較高振盪頻率和頻率可調範圍的壓控振盪器。

一般來說，壓控振盪器(Voltage Controlled Oscillator，簡稱 VCO)主要係透過控制輸入電壓進而調整輸出振盪頻率的壓控元件，為了使壓控振盪器的整體效能提升，許多製造業者均對其電路作進一步改良。

如中華民國新型專利公告第M407549號，提出一種壓控振盪器，包含一共振單元、一耦合單元、一輸出單元以及一調整單元，該共振單元具有一第一端、一第二端、一接收一偏壓電壓之第三端以及一接收一第一控制電壓之第四端，並根據該偏壓電壓及該第一控制電壓，以分別產生一第一共振頻率信號及一第二共振頻率信號，該耦合單元包括一第一電晶體及一第二電晶體，該第一電晶體具有一與該共振單元之第一端電連接之第一端、一第二端、一第三端及一與該共振單元之第二端電連接之控制端，該第三端接收足以降低該第一電晶體之臨界電壓的一電壓信號，該第二電晶體具有一分別與該共振單元之第二端及該第一電晶體之控制端電連接之第一端、一第二端、一接收一電壓值不為零之電壓信號之第三端及一分別與該共振單元之第一端及該第一電晶體之第一端電連接之控制端，該輸出單元具有一與該共振單元之第一端電連接之第一端、一與該共振單元之第二端電連接之第二端、一第三端及一第四端，且該輸出單元接收該共振頻率信號，並據此由其第三端及第四端輸出一輸出共振信號，該調整單元包括一第五電容及一第六電容，該第五電容二端分別與該第一電晶體之第一端、第二端電連接，該第六電容二端分別與該第二電晶體之第一端、第二端電連接。

於以上先前技術之中，該調整單元係由該第三電容、該第四電容、該第五電容、該第六電容、該第三電感以及該第四電感組成，由於從該第二電晶體的第一端往遠離該共振單元方向的一輸入阻抗值並非為一負電容特性，因此該壓控振盪器僅適合工作於低頻段且可調整的頻率範圍有所限制。

本發明的主要目的，在於解決習知壓控振盪器僅適合工作於低頻段且可調整的頻率範圍過於狹隘的問題。

為達上述目的，本發明提供一種壓控振盪器，包含一共振單元、一耦合單元以及一源極退化單元，該共振單元包含兩第一電感以及兩第一可變電容，該第一電感的一端與一第一電壓源電性連接，而另一端與該第一可變電容的一端電性連接而分別形成一輸出一第一振盪頻率的第一電性連接點以及一輸出一第二振盪頻率的第二電性連接點，該第一可變電容的另一端與一第一控制電壓電性連接，該耦合單元包含一第一電晶體、一第二電晶體、一第二電感以及一第三電感，該第一電晶體和該第二電晶體的一電源輸入端以及該第二電感和該第三電感的一端分別與該第一電性連接點和該第二電性連接點連接，該第一電晶體的一閘極端與該第三電感的另一端電性連接，該第二電晶體的一閘極端與該第二電感的另一端電性連接，該源極退化單元包含兩可調電感、兩第四電感以及兩第二可變電容，該可調電感的一端分別與該第一電晶體和該第二電晶體的一電源輸出端電性連接，該第四電感的一端彼此電性連接而形成一第三電性連接點，該第二可變電容的一端分別與該可調電感和該第四電感的另一端電性連接，而該第二可變電容的另一端分別與一第二控制電壓電性連接，其中，調整該可調電感的一等效電感值，以使從該電源輸入端往遠離該共振單元方向的一輸入阻抗值為一負電容特性。

由以上可知，本發明相較於習知技藝可達到之功效在於，本發明藉由該可調電感的設置並調整該等效電感值，以使從該電源輸入端往遠離該共振單元方向的該輸入阻抗值為該負電容特性，進而使該壓控振盪器工作於高頻段且可調整的頻率範圍提升。

有關本發明的詳細說明及技術內容，現就配合圖式說明如下：

請搭配參閱『圖1』所示，為本發明一實施例中該壓控振盪器的電路圖，本發明為一種壓控振盪器，包含一共振單元10、一耦合單元20以及一源極退化單元30，該共振單元10包含兩第一電感11以及兩第一可變電容12，該第一電感11的一端與一第一電壓源V _D1電性連接，而另一端與該第一可變電容12的一端電性連接而分別形成一輸出一第一振盪頻率的第一電性連接點13以及一輸出一第二振盪頻率的第二電性連接點14，該第一可變電容12的另一端分別與一第一控制電壓V _T1電性連接，其中該第一控制電壓V _T1係用於調整該第一可變電容12的一電容值，而進一步分別控制該第一電性連接點13和該第二電性連接點14的該第一振盪頻率和該第二振盪頻率。

該耦合單元20包含一第一電晶體21、一第二電晶體22、一第二電感23以及一第三電感24，該第一電晶體21的一電源輸入端以及該第二電感23的一端分別與該第一電性連接點13電性連接，該第二電晶體22的一電源輸入端以及該第三電感24的一端分別與該第二電性連接點14電性連接，該第一電晶體21的一閘極端與該第三電感24的另一端電性連接，該第二電晶體22的一閘極端與該第二電感23的另一端電性連接，於本實施例中，藉由調整該第二電感23和該第三電感24的長度且使彼此的長度相同而具有一電感性，可增加由該第一電晶體21和該第二電晶體22所提供的電性增益量，因此能夠增加該壓控振盪器之整體等效閉迴路增益而使該壓控振盪器更容易產生振盪。

該源極退化單元30包含兩可調電感31、兩第四電感32以及兩第二可變電容33，該可調電感31的一端分別與該第一電晶體21和該第二電晶體22的一電源輸出端電性連接，該些第四電感32的一端彼此電性連接而形成一第三電性連接點34，該第二可變電容33的一端分別與該可調電感31和該第四電感32的另一端電性連接，而該第二可變電容33的另一端分別與一第二控制電壓V _T2電性連接，其中該第二控制電壓V _T2係用於調整該第二可變電容33的一電容值，而進一步分別控制該壓控振盪器之輸出電訊號之輸出頻率分量，亦即一第一電容47左方的一第一振盪頻率輸出端V _O1以及一第二電容57右方的一第二振盪頻率輸出端V _O2。於本實施例中，藉由調整該可調電感31的一等效電感值，以使從該第二電晶體22的該電源輸入端往遠離該共振單元10方向的一輸入阻抗值Rin為一負電容特性，可使該共振單元10、該耦合單元20、該源極退化單元30所共同提供的振盪頻率提升至90GHz以上，且透過調整該第一控制電壓V _T1和該第二控制電壓V _T2的電壓大小，可使振盪頻率的調整範圍介於91GHz至97GHz之間。

於本發明中，該壓控振盪器更包含一第一輸出緩衝單元40、一第二輸出緩衝單元50、一二階諧波產生單元60以及一電流鏡單元70，該第一輸出緩衝單元40包含一第五電感41、一第六電感42、一第七電感43、一第八電感44、一第三電晶體45、一第四電晶體46以及一第一電容47，該第五電感41的一端與該第一電性連接點13電性連接，而另一端與該第三電晶體45的一閘極端電性連接，該第三電晶體45的一電源輸入端以及一電源輸出端分別與該第六電感42和該第七電感43的一端電性連接以及與一接地端電性連接，該第六電感42和該第七電感43的另一端分別與該第四電晶體46的一閘極端電性連接以及與一第二電壓源V _D2電性連接，該第四電晶體46的一電源輸入端以及一電源輸出端分別與該第八電感44和該第一電容47的一端電性連接以及與該接地端電性連接，該第八電感44和該第一電容47的另一端分別與該第二電壓源V _D2電性連接以及與一第一振盪頻率輸出端V _O1電性連接。

該第二輸出緩衝單元50包含一第九電感51、一第十電感52、一第十一電感53、一第十二電感54、一第五電晶體55、一第六電晶體56以及一第二電容57，該第九電感51的一端與該第二電性連接點14電性連接，而另一端與該第五電晶體55的一閘極端電性連接，該第五電晶體55的一電源輸入端以及一電源輸出端分別與該第十電感52和該第十一電感53的一端電性連接以及與一接地端電性連接，該第十電感52和該第十一電感53的另一端分別與該第六電晶體56的一閘極端電性連接以及與一第三電壓源V _D3電性連接，該第六電晶體56的一電源輸入端以及一電源輸出端分別與該第十二電感54和該第二電容57的一端電性連接以及與該接地端電性連接，該第十二電感54和該第二電容57的另一端分別與該第三電壓源V _D3電性連接以及與一第二振盪頻率輸出端V _O2電性連接。於本實施例中，設置該第五電感41、該第六電感42、該第九電感51以及該第十電感52的目的，係透過一串聯增益峰化(Series Gain Peaking)技術，消除該第三電晶體45、該第四電晶體46、該第五電晶體55以及該第六電晶體56的寄生電容，藉此提升該壓控振盪器的輸出功率以及改善相位雜訊。該第三電晶體45的該寄生電容為該第三電晶體45之閘極端和右方電路之該第一電性連接點13之間所產生之物理性連接而造成之寄生電容，該第四電晶體46的該寄生電容為該第一電容47之閘極端和右方電路之電性連接點，亦即該第六電感42右方端點，之間所產生之物理性連接而造成之寄生電容，該第五電晶體55的該寄生電容為該第五電晶體55之閘極端和左方電路之該第二電性連接點14之間所產生之物理性連接而造成之寄生電容，該第六電晶體56的該寄生電容為該第二電容57之閘極端和左方電路之電性連接點，亦即該第十電感52左方端點，之間所產生之物理性連接而造成之寄生電容。

該二階諧波產生單元60包含一第十三電感61、一第十四電感62、一第十五電感63、一第十六電感64以及一第十七電感65，該第十三電感61的一端與該第三電性連接點34電性連接，該第十四電感62、該第十五電感63、該第十六電感64以及該第十七電感65的一端分別與該第十三電感61的另一端電性連接而形成一第四電性連接點66，於本實施例中，該第十三電感61的長度為振盪頻率二階諧波波長的四分之一，該第十四電感62的長度為振盪頻率基頻波長的四分之一，該第十五電感63的長度為振盪頻率二階諧波波長的四分之一，該第十六電感64的長度為振盪頻率三階諧波波長的四分之一，該第十七電感65的長度為振盪頻率四階諧波波長的四分之一，其中該二階諧波產生單元60的設置方式為左右兩側的端點為開路，且使振盪頻率的基頻、二階諧波、三階諧波以及四階諧波在該第十三電感61往遠離該源極退化單元30方向的電路均視為短路，以使該第一電晶體21和該第二電晶體22的該電源輸出端產生一振盪頻率的二階諧波。

上述「震盪頻率」為該第一電性連接點13和該第二電性連接點14所測得之震盪頻率。更具體來說：雖然該第一電性連接點13和該第二電性連接點14為一晶片上的電路而無法接測，但因為該第一電性連接點13和該第二電性連接點14的震盪頻率會近似該第一振盪頻率輸出端V _O1以及該第二振盪頻率輸出端V _O2之震盪頻率，故實際上會透過測量該第一振盪頻率輸出端V _O1以及該第二振盪頻率輸出端V _O2之震盪頻率來計算該第一電性連接點13和該第二電性連接點14之震盪頻率。

該電流鏡單元70包含一第七電晶體71以及一第八電晶體72，該第七電晶體71的一電源輸入端與該第四電性連接點66電性連接，該第八電晶體72的一電源輸入端分別與該第七電晶體71以及該第八電晶體72的一閘極端電性連接，該第七電晶體71以及該第八電晶體72的一電源輸出端分別與一接地端電性連接。於本實施例中，該第八電晶體72的該電源輸入端與一第四電壓源V _D4電性連接，當該第四電壓源V _D4提供電壓至該電流鏡單元70，該第七電晶體71形成一穩定偏壓電流，該穩定偏壓電流有助於穩定該第一電晶體21和該第二電晶體22的電流特性。

於本發明中，該些電晶體的種類可為一雙極性電晶體(Bipolar Junction Transistor，簡稱 BJT)、一場效應電晶體(Field Effect Transistor，簡稱FET)、一接面場效電晶體(Junction Field Effect Transistor，簡稱JFET)、一金屬氧化物半導體場效電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，簡稱MOSFET)或上述的組成。

於實際量測，請參閱『圖2A』至『圖2D』所示，當有設置該可調電感31的條件下，量測儀器所量測到的振盪頻率高於90GHz以上且透過調整該第一控制電壓V _T1和該第二控制電壓V _T2的電壓大小，可使振盪頻率的調整範圍介於91GHz至97GHz之間(『圖2B』的『This Work』實驗組別)。『圖2A』的橫軸(C _s/C _gs)為該第一電晶體21和該第二電晶體22的寄生電容的比值，縱軸(R _EQ)為本案壓控振盪器之內部負電阻變化，可看出本案壓控振盪器之該可調電感31(請參考圖2A的L _s)操作在220.6 pH之情況下，等效電阻為一負數，介於-2.5至-3.0之間，因此可以使得本案壓控振盪器產生震盪。當有設置該可調電感31的條件下(即，『This Work』組別)，在量測儀器所量測的輸出功率會比沒設置該可調電感31的條件下(即，『w/o TL ₃&TL ₄』組別)相對較高，如『圖2C』所示；當有設置該可調電感31的條件下(即，『This Work』組別)，在量測儀器所量測的相位雜訊會比沒設置該可調電感31的條件下(即，『w/o TL ₃&TL ₄』組別)相對較低，如『圖2D』所示。於本實施例中亦比較了不同長度的該可調電感31(即，『TL ₃=TL ₄=80 μm』實驗組別)，經測試該可調電感31的長度較佳為介於15μm至25μm之間。

請參閱『圖3A』及『圖3B』所示，當有設置該電流鏡單元70的條件下(即，『This Work (w/i M ₇&M ₈)』組別)，在量測儀器所量測的輸出功率會比沒設置該電流鏡單元70的條件下(即，『w/o M ₇&M ₈)』組別)相對較高，如『圖3A』所示；當有設置該電流鏡單元70的條件下(即，『This Work (w/i M ₇&M ₈)』組別)，在量測儀器所量測的相位雜訊會比沒設置該電流鏡單元70的條件下(即，『w/o M ₇&M ₈)』組別)相對較低，如『圖3B』所示。

請參閱『圖4A』至『圖4D』所示，當有設置該第五電感41(即，『TL ₈』)、該第六電感42(即，『TL ₁₀』)、該第九電感51(即，『TL ₇』)以及該第十電感52(即，『TL ₉』)的條件下，在量測儀器所量測的輸出功率會比沒設置該第五電感41、該第六電感42、該第九電感51以及該第十電感52的條件下相對較高，如『圖4A』及『圖4C』所示；當有設置該第五電感41、該第六電感42、該第九電感51以及該第十電感52的條件下(即，『圖4A』及『圖4B』的『This Work (TL ₇=TL ₈=20 μm)』組別；以及『圖4C』及『圖4D』的『This Work (TL ₉=TL ₁₀=74 μm)』組別)，在量測儀器所量測的相位雜訊會比沒設置該第五電感41、該第六電感42、該第九電感51以及該第十電感52的條件下(即，『圖4A』及『圖4B』的『w/o TL ₇&TL ₈』組別；以及『圖4C』及『圖4D』的『w/o TL ₉&TL ₁₀』組別)相對較低，如『圖4B』及『圖4D』所示。於本實施例中，亦比較了不同長度的該第五電感41、該第六電感42、該第九電感51以及該第十電感52 (即，『圖4A』及『圖4B』的『TL ₇=TL ₈=80 μm』組別；以及『圖4C』及『圖4D』的『TL ₉=TL ₁₀=20 μm』組別)，經測試該第五電感41以及該第九電感51的長度較佳為介於15μm至25μm之間；該第六電感42以及該第十電感52的長度較佳為介於70μm至80μm之間。

綜上所述，由於本發明的該源極退化單元具有該可調電感，且藉由調整該可調電感的該等效電感值，以使從該電源輸入端往遠離該共振單元方向的該輸入阻抗值為該負電容特性，故可使該壓控振盪器工作於高頻段、可調整的頻率範圍提升、輸出功率提升以及相位雜訊降低。另外，本發明亦可透過該電流鏡單元的設置以及將該第五電感、該第六電感、該第九電感以及該第十電感分別設置於該第一輸出緩衝單元和該第二輸出緩衝單元中以提升該壓控振盪器的輸出功率以及降低相位雜訊。

以上已將本發明做一詳細說明，惟以上所述者，僅爲本發明的一較佳實施例而已，當不能限定本發明實施的範圍。即凡依本發明申請範圍所作的均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明的專利涵蓋範圍內。

10‧‧‧共振單元

11‧‧‧第一電感

12‧‧‧第一可變電容

13‧‧‧第一電性連接點

14‧‧‧第二電性連接點

20‧‧‧耦合單元

21‧‧‧第一電晶體

22‧‧‧第二電晶體

23‧‧‧第二電感

24‧‧‧第三電感

30‧‧‧源極退化單元

31‧‧‧可調電感

32‧‧‧第四電感

33‧‧‧第二可變電容

34‧‧‧第三電性連接點

40‧‧‧第一輸出緩衝單元

41‧‧‧第五電感

42‧‧‧第六電感

43‧‧‧第七電感

44‧‧‧第八電感

45‧‧‧第三電晶體

46‧‧‧第四電晶體

47‧‧‧第一電容

50‧‧‧第二輸出緩衝單元

51‧‧‧第九電感

52‧‧‧第十電感

53‧‧‧第十一電感

54‧‧‧第十二電感

55‧‧‧第五電晶體

56‧‧‧第六電晶體

57‧‧‧第二電容

60‧‧‧二階諧波產生單元

61‧‧‧第十三電感

62‧‧‧第十四電感

63‧‧‧第十五電感

64‧‧‧第十六電感

65‧‧‧第十七電感

66‧‧‧第四電性連接點

70‧‧‧電流鏡單元

71‧‧‧第七電晶體

72‧‧‧第八電晶體

V _D1‧‧‧第一電壓源

V _D2‧‧‧第二電壓源

V _D3‧‧‧第三電壓源

V _D4‧‧‧第四電壓源

V _O1‧‧‧第一振盪頻率輸出端

V _O2‧‧‧第二振盪頻率輸出端

V _T1‧‧‧第一控制電壓

V _T2‧‧‧第二控制電壓

『圖1』，為本發明一實施例中，該壓控振盪器的電路圖。『圖2A』，為本發明一實施例中，具有該可調電感的振盪頻率波形圖。『圖2B』，為本發明一實施例中，具有該可調電感的振盪頻率波形圖。『圖2C』，為本發明一實施例中，具有該可調電感的輸出功率波形比較圖。『圖2D』，為本發明一實施例中，具有該可調電感的相位雜訊波形比較圖。『圖3A』，為本發明一實施例中，具有該電流鏡單元的輸出功率波形比較圖。『圖3B』，為本發明一實施例中，具有該電流鏡單元的相位雜訊波形比較圖。『圖4A』，為本發明一實施例中，具有該第五電感和該第九電感的輸出功率波形比較圖。『圖4B』，為本發明一實施例中，具有該第五電感和該第九電感的相位雜訊波形比較圖。『圖4C』，為本發明一實施例中，具有該第六電感和該第十電感的輸出功率波形比較圖。『圖4D』，為本發明一實施例中，具有該第六電感和該第十電感的相位雜訊波形比較圖。

Claims

一種壓控振盪器，包含：一共振單元，包含兩第一電感以及兩第一可變電容，該第一電感的一端與一第一電壓源電性連接，而另一端與該第一可變電容的一端電性連接而分別形成一輸出一第一振盪頻率的第一電性連接點以及一輸出一第二振盪頻率的第二電性連接點，該第一可變電容的另一端與一第一控制電壓電性連接；一耦合單元，包含一第一電晶體、一第二電晶體、一第二電感以及一第三電感，該第一電晶體和該第二電晶體的一電源輸入端以及該第二電感和該第三電感的一端分別與該第一電性連接點和該第二電性連接點連接，該第一電晶體的一閘極端與該第三電感的另一端電性連接，該第二電晶體的一閘極端與該第二電感的另一端電性連接；一源極退化單元，包含兩可調電感、兩第四電感以及兩第二可變電容，該可調電感的一端分別與該第一電晶體和該第二電晶體的一電源輸出端電性連接，該第四電感的一端彼此電性連接而形成一第三電性連接點，該第二可變電容的一端分別與該可調電感和該第四電感的另一端電性連接，而該第二可變電容的另一端分別與一第二控制電壓電性連接；以及一第一輸出緩衝單元，包含一第五電感、一第六電感、一第七電感、一第八電感、一第三電晶體、一第四電晶體以及一第一電容，該第五電感的一端與該第一電性連接點電性連接，而另一端與該第三電晶體的一閘極端電性連接，該第三電晶體的一電源輸入端以及一電源輸出端分別與該第六電感和該第七電感的一端電性連接以及與一接地端電性連接，該第六電感和該第七電感的另一端分別與該第四電晶體的一閘極端電性連接以及與一第二電壓源電性連接，該第四電晶體的一電源輸入端以及一電源輸出端分別與該第八電感和該第一電容的一端電性連接以及與該接地端電性連接，該第八電感和該第一電容的另一端分別與該第二電壓源電性連接以及與一第一振盪頻率輸出端電性連接；其中，調整該可調電感的一等效電感值，以使從該電源輸入端往遠離該共振單元方向的一輸入阻抗值為一負電容特性。
如申請專利範圍第1項所述之壓控振盪器，其中更包含一第二輸出緩衝單元，包含一第九電感、一第十電感、一第十一電感、一第十二電感、一第五電晶體、一第六電晶體以及一第二電容，該第九電感的一端與該第二電性連接點電性連接，而另一端與該第五電晶體的一閘極端電性連接，該第五電晶體的一電源輸入端以及一電源輸出端分別與該第十電感和該第十一電感的一端電性連接以及與一接地端電性連接，該第十電感和該第十一電感的另一端分別與該第六電晶體的一閘極端電性連接以及與一第三電壓源電性連接，該第六電晶體的一電源輸入端以及一電源輸出端分別與該第十二電感和該第二電容的一端電性連接以及與該接地端電性連接，該第十二電感和該第二電容的另一端分別與該第三電壓源電性連接以及與一第二振盪頻率輸出端電性連接。
如申請專利範圍第1項所述之壓控振盪器，其中更包含一二階諧波產生單元，包含一第十三電感、一第十四電感、一第十五電感、一第十六電感以及一第十七電感，該第十三電感的一端與該第三電性連接點電性連接，該第十四電感、該第十五電感、該第十六電感以及該第十七電感的一端分別與該第十三電感的另一端電性連接而形成一第四電性連接點。
如申請專利範圍第3項所述之壓控振盪器，其中更包含一電流鏡單元，包含一第七電晶體以及一第八電晶體，該第七電晶體的一電源輸入端與該第四電性連接點電性連接，該第八電晶體的一電源輸入端分別與該第七電晶體以及該第八電晶體的一閘極端電性連接，該第七電晶體以及該第八電晶體的一電源輸出端與一接地端電性連接。