CN101102091A - 振荡器、负电阻电路及其振荡方法 - Google Patents

振荡器、负电阻电路及其振荡方法 Download PDF

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CN101102091A CNA200710126980XA CN200710126980A CN101102091A CN 101102091 A CN101102091 A CN 101102091A CN A200710126980X A CNA200710126980X A CN A200710126980XA CN 200710126980 A CN200710126980 A CN 200710126980A CN 101102091 A CN101102091 A CN 101102091A
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Abstract

本发明提供了一种振荡器，其包括电感电容槽电路以及负电阻电路，负电阻电路耦接于电感电容槽电路，且包括一对晶体管以及一对压降产生器，该对晶体管分别包含第一端与第二端，且第一端交叉耦接于第二端，该对压降产生器分别耦接在该对晶体管的第一端与第二端之间。包含振荡器中的压降产生器通过在交叉耦接的基极与集电极之间保持一个电压差，使得交叉耦接的双极结晶体管不会进入饱和状态，因此振荡器不会因为饱和状态交叉耦接的双极结晶体管进入饱和状态而发生异常。

Description

振荡器、负电阻电路及其振荡方法
技术领域
本发明是关于振荡器，特别是关于包含可改善其输出摆幅(output swing)的压降产生器的振荡器、负电阻电路及其振荡方法。
背景技术
图1A为一个基本的压控振荡器(voltage controlled oscillator；VCO)100的电路图，其包括电感电容槽(LC tank)110、负电阻电路120与130以及电流源140。负电阻电路120与130分别包括交叉耦接(cross coupled)的双极结晶体管(bipolar junction transistor；BJT)以及金属氧化物半导体(metal-oxide-semiconductor；MOS)晶体管。负电阻电路120的双极结晶体管Q1与Q2的集电极C1与C2耦接到电感电容槽110，负电阻电路130的金属氧化物半导体晶体管的漏极也耦接到电感电容槽110。双极结晶体管的发射极接地，金属氧化物半导体晶体管的源极耦接到电流源140。
图1B与图1C分别为图1A所示的双极结晶体管Q1与Q2的集电极C1与C2在低频与高频下的输出波形，而波形图也表示了双极结晶体管Q2与Q1的基极节点波形。低频与高频分别对应于双极结晶体管Q1与Q2的集电极C1与C2有微小输出摆幅与较大输出摆幅的情形。当VBE＞0.7V且VBC＞0.5V时，双极结晶体管会进入饱和状态，其中VBE为双极结晶体管的基极与发射极之间的电压差，VBC为双极结晶体管的基极与集电极之间的电压差。因此，当集电极C1与C2的输出摆幅较大时，双极结晶体管可能会进入饱和状态。举例来说，当图1C所示的VC1C2＝0.5V时，双极结晶体管Q2会进入饱和状态。当任一个双极结晶体管进入饱和状态时，压控振荡器就无法正常地工作。另一方面，为防止前面所说的双极结晶体管进入饱和状态，输出摆幅需要被限制在一个特定范围内。
图2A为一个传统的包含电阻电容电路(RC circuit)225的压控振荡器(voltage controlled oscillator；VCO)200的电路图。图2A所示的压控振荡器200与图1A的压控振荡器100相似，包括电感电容槽210、负电阻电路220、230以及电流源240，其不同仅在于压控振荡器200的负电阻电路220进一步包括电阻电容电路225。电阻电容电路225包括第一电容C3与第二电容C4，其中，第一电容C3连接在双极结晶体管Q1的集电极C1与双极结晶体管Q2的基极B2之间，第二电容C4连接在双极结晶体管Q1的基极B1与双极结晶体管Q2的集电极C2之间。此外，电阻电容电路225进一步包括第一电阻R1与第二电阻R2，第一电阻R1的第一端耦接于双极结晶体管Q2的基极B2，第二电阻R2的第一端耦接于双极结晶体管Q1的基极B1，而第一电阻R1与第二电阻R2的第二端共同连接到偏压源。
图2B为图2A所示的双极结晶体管Q1与Q2的集电极C1与C2在高频下的输出波形示意图。高频下双极结晶体管Q1与Q2的集电极C1与C2有较大的输出摆幅。基极B2的电压在某种程度上随集电极C1的电压而变动。此外，偏压源通常提供固定的偏压电压给电阻电容电路225。因此，当集电极C1与C2的输出摆幅较大时，双极结晶体管仍会进入饱和状态。举例来说，当图2B所示的VB2C2＝0.5V时，双极结晶体管Q2会进入到饱和状态，当任一个双极结晶体管进入饱和状态时，压控振荡器就无法正常地工作。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供了一种包含压降产生器的振荡器。
本发明提供了一种振荡器，包括电感电容槽电路以及负电阻电路，负电阻电路耦接于电感电容槽电路，且包括一对晶体管以及一对压降产生器，该对晶体管分别包含第一端与第二端，且第一端交叉耦接于第二端，该对压降产生器分别耦接在该对晶体管的第一端与第二端之间。
本发明还提供了一种负电阻电路的振荡方法，包括提供分别包含第一端与第二端的一对晶体管，且第一端交叉耦接于第二端，将一对压降产生器分别安插在该对晶体管的第一端与第二端之间，并在该对晶体管的第一端与第二端之间产生压降。
本发明还提供了一种负电阻电路，包括一对晶体管以及一对压降产生器，该对晶体管分别包含第一端与第二端，且第一端交叉耦接于第二端，该对压降产生器分别耦接在该对晶体管的第一端与第二端之间。
本发明提供了包含压降产生器的振荡器，压降产生器通过在交叉耦接的基极与集电极之间保持一个电压差，使得交叉耦接的双极结晶体管不会进入饱和状态，因此振荡器不会因为进入饱和状态的交叉耦接的双极结晶体管而发生异常。
附图说明
图1A为基本的压控振荡器的电路图。
图1B与图1C分别为图1A所示的双极结晶体管Q1与Q2的集电极C1与C2在低频与高频下的输出波形示意图。
图2A为传统的包含电阻电容电路的压控振荡器的电路图。
图2B为图2A所示的双极结晶体管Q1与Q2的集电极C1与C2在高频下的输出波形示意图。
图3A为本发明一实施例包含压降产生器的压控振荡器的电路图。
图3B与图3C为双极结晶体管Q3与Q4的集电极C3与C4与双极结晶体管Q4的基极B4分别在低频与高频下的输出波形示意图。
图4为图3A所示的负电阻电路320的另一实施例的示意图。
图5为本发明另一实施例的包含压降产生器的压控振荡器的电路图。
图6为本发明另一实施例的包含压降产生器的压控振荡器的电路图。
图7为本发明另一实施例的包含压降产生器的压控振荡器的电路图。
图8为本发明另一实施例的包含压降产生器的压控振荡器的电路图。
具体实施方式
图3A为本发明一实施例包含压降产生器的压控振荡器的电路图。压控振荡器300包括电感电容槽310、负电阻电路320与330以及电流源340。负电阻电路320与330分别包括交叉耦接的NPN型双极结晶体管与金属氧化物半导体晶体管。负电阻电路320的NPN型双极结晶体管Q3与Q4的集电极C3与C4耦接于电感电容槽310，且负电阻电路330的金属氧化物半导体晶体管的漏极也耦接于电感电容槽310。在图3A中，NPN型双极结晶体管的发射极接地且金属氧化物半导体晶体管的源极通过电流源340耦接于供应电压。需要注意的是，NPN型双极结晶体管的发射极也可以不接地，并且金属氧化物半导体晶体管的源极也可以不通过电流源耦接于供应电压。NPN型双极结晶体管的发射极也可以直接或间接地通过电流源或简并装置(degeneration device)耦接于一个共同节点(common node)。金属氧化物半导体晶体管的源极也可直接或间接地通过电流源或简并组件耦接于共同节点，简并装置可以是电阻、电容、电感或其组合(可以包含或不包含有源晶体管)。
请参照图3A，第一压降产生器LS1耦接在NPN型双极结晶体管Q3的集电极C3与NPN型双极结晶体管Q4的基极B4之间，第二压降产生器LS2耦接在NPN型双极结晶体管Q4的集电极C4与NPN型双极结晶体管Q3的基极B3之间。无论电压的输出摆幅有多大，压降产生器LS1都会使集电极C3的电压高于基极B4的电压，相似地，压降产生器LS2会使集电极C4的电压高于基极B3的电压。
图3B与图3C为双极结晶体管Q3与Q4的集电极C3与C4与双极结晶体管Q4的基极B4分别在低频与高频下的输出波形示意图。如图3C所示，由于集电极C3的电压比基极B4的电压高出电压Vd，集电极C4的电压电平比基极B4的电压电平高。换句话说，当基极B4的电压电平为最高值而集电极C4的电压电平为最低值时，基极B4与集电极C4之间的电压差VB4C4就不会那么大。因此，VB4C4会一直低于0.5V，双极结晶体管Q4就不会进入饱和状态，相似地，双极结晶体管Q3也不会进入饱和状态。因此即使当压控振荡器的输出摆幅较大时，压控振荡器仍可正常地工作。
图4为图3A所示的负电阻电路320的另一实施例的示意图。图4所示的负电阻电路400的双极结晶体管Q5与Q6为PNP型双极结晶体管。压降产生器LS3与LS4被分别安插在交叉耦接的基极B5、B6与集电极C5、C6之间。因此压降产生器LS4会使基极B5的电压电平比集电极C6的电压电平高，而压降产生器LS3会使基极B6的电压电平比集电极C5的电压电平高。图4所示的负电阻电路400可被使用在根据本发明一实施例的压控振荡器的供应电压端。
图5为本发明另一实施例的包含压降产生器的压控振荡器的电路图。图5的压控振荡器500与图3A的压控振荡器300相似，其不同仅在于图3A所示的负电阻电路320中的压降产生器LS1与LS2分别被图5所示的二极管D1与D2所取代。在图5中，二极管D1与D2的阳极分别连接到集电极C3与C4，其阴极分别连接到基极B4与B3。通过设置二极管D1与D2，NPN型双极结晶体管Q3与Q4就不会进入饱和状态，可以改善压控振荡器500的输出摆幅。
图6为本发明又一实施例的包含压降产生器的压控振荡器的电路图。图6的压控振荡器600与图3A的压控振荡器300相似，其不同之处仅在于图3A所示的负电阻电路320中的压降产生器LS1与LS2分别被图6所示的NPN型双极结晶体管Q7与Q8所取代。在图6中，NPN型双极结晶体管Q7与Q8的基极与集电极分别共同连接到集电极C3与C4，晶体管Q7与Q8的发射极分别连接到基极B4与B3。因此，NPN型双极结晶体管Q3与Q4就不会进入饱和状态，可以改善压控振荡器600的输出摆幅。
图7为本发明又一实施例的包含压降产生器的压控振荡器的电路图。图7的压控振荡器700与图3A的压控振荡器300相似，其不同之处仅在于图3A所示的负电阻电路320中的压降产生器LS1与LS2分别被图7所示的金属氧化物半导体晶体管Q9与Q10所取代。在图7中，金属氧化物半导体晶体管Q9与Q10的栅极与漏极分别共同连接到集电极C3与C4，金属氧化物半导体晶体管Q9与Q10的源极分别连接到基极B4与B3。同样，NPN型双极结晶体管Q3与Q4就不会进入饱和状态，可以改善压控振荡器700的输出摆幅。
图8为本发明又一实施例的包含压降产生器的压控振荡器的电路图。图8的压控振荡器800与图3A的压控振荡器300相似，其不同之处仅在于图3A所示的负电阻电路320中的压降产生器LS1与LS2分别被图8所示的NPN型双极结晶体管Q11与Q12所取代。在图8中，NPN型双极结晶体管Q11与Q12的基极分别连接到集电极C3与C4，NPN型双极结晶体管Q11与Q12的发射极分别连接到基极B4与B3，且其集电极共同连接到交叉耦接的金属氧化物半导体晶体管的源极。因此，NPN型双极结晶体管Q3与Q4就不会进入饱和状态，可以改善压控振荡器800的输出摆幅。需要注意的是，NPN型双极结晶体管Q11与Q12的集电极可以不耦接到交叉耦接的金属氧化物半导体晶体管的源极。只要NPN型双极结晶体管Q11与Q12的集电极耦接于一个比其基极电压更高的偏压电压，压控振荡器800的输出摆幅就可因此而改善。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中的技术人员，在不脱离本发明的范围内，可以做一些改动，因此本发明的保护范围应与权利要求所界定的范围为准。

Claims (19)

1.一种振荡器，该振荡器包括：
电感电容槽电路；以及
负电阻电路，耦接于所述的电感电容槽电路，包括：
一对晶体管，该对晶体管分别包含第一端与第二端，且该对晶体管的第一端分别交叉耦接于该对晶体管的第二端；以及
一对压降产生器，分别耦接于所述的这对晶体管的第一端与第二端之间。
2.如权利要求1所述的振荡器，其特征在于，所述的这对晶体管包含直接或间接耦接于共同节点的第三端。
3.如权利要求2所述的振荡器，其特征在于，所述的这对晶体管为双极结晶体管，且所述的这对晶体管的第一、第二与第三端分别为基极、集电极与发射极。
4.如权利要求1所述的振荡器，其特征在于，所述的这对压降产生器为二极管、双极结晶体管或金属氧化物半导体晶体管。
5.如权利要求1所述的振荡器，其特征在于，所述的这对压降产生器为基极与集电极共同连接的双极结晶体管。
6.如权利要求1所述的振荡器，其特征在于，所述的这对压降产生器为栅极与漏极共同连接的金属氧化物半导体晶体管。
7.如权利要求1所述的振荡器，其特征在于，所述的这对压降产生器为双极结晶体管，所述的这对双极结晶体管的发射极与基极分别连接到所述的这对晶体管的第一端与第二端而集电极共同连接到高于基极电压的偏压电压。
8.一种负电阻电路的振荡方法，该方法包括：
提供包含第一端与第二端的一对晶体管，且该对晶体管的第一端交叉耦接于该对晶体管的第二端；
将一对压降产生器分别安插在所述的这对晶体管的第一端与所述的这对第二端之间；以及
在所述的这对晶体管的第一端与第二端之间产生压降。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的这对压降产生器为二极管、双极结晶体管或金属氧化物半导体晶体管。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的这对压降产生器为基极与集电极共同连接的双极结晶体管。
11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的这对压降产生器为栅极与漏极共同连接的金属氧化物半导体晶体管。
12.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的这对压降产生器为双极结晶体管，所述的这对双极结晶体管的发射极与基极分别连接到所述的这对晶体管的第一端与第二端而集电极共同连接到高于基极电压的偏压电压。
13.一种负电阻电路，该电路包括：
一对晶体管，分别包含第一端与第二端，其中该对晶体管的第一端交叉耦接于该对晶体管的第二端；以及
一对压降产生器，分别耦接在所述的这对晶体管的第一端与第二端之间。
14.如权利要求13所述的负电阻电路，其特征在于，所述的这对晶体管包含直接或间接耦接于共同节点的第三端。
15.如权利要求14所述的负电阻电路，其特征在于，所述的这对晶体管为双极结晶体管，且所述的这对晶体管的第一、第二与第三端分别为基极、集电极与发射极。
16.如权利要求13所述的负电阻电路，其特征在于，所述的这对压降产生器为二极管、双极结晶体管或金属氧化物半导体晶体管。
17.如权利要求13所述的负电阻电路，其特征在于，所述的这对压降产生器为基极与集电极共同连接的双极结晶体管。
18.如权利要求13所述的负电阻电路，其特征在于，所述的这对压降产生器为栅极与漏极共同连接的金属氧化物半导体晶体管。
19.如权利要求13所述的负电阻电路，其特征在于，所述的这对压降产生器为双极结晶体管，所述的这对双极结晶体管的发射极与基极分别连接到所述的这对晶体管的第一端与第二端且集电极共同连接到高于基极电压的偏压电压。
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