CN101114177A - 压控电流源及使用该压控电流源的扫频器 - Google Patents

Abstract

一种压控电流源及使用该压控电流源的扫频器，该压控电流源包括阻抗电路、放大器、晶体管以及电流镜像电路。阻抗电路一端耦接一共同电压。放大器的第一端耦接阻抗电路的另一端，其第二端接收一控制电压。晶体管的栅极耦接放大器的输出端，其第一源极/漏极耦接阻抗电路的另一端。电流镜像电路耦接晶体管的第二源极/漏极，其包括一电流输出端，其中该电流输出端所输出的电流与晶体管所流经的电流成比例。

Description

压控电流源及使用该压控电流源的扫频器

技术领域

本发明有关于一种压控电流源，且特别是有关于一种压控电流源及使用该压控电流源的扫频器。

背景技术

许多电子和通信设备总是需要使用电流源。在模拟电路的设计中，设计出一个好的电流源是电路设计中的一个难点，尤其是在负载变化较大，或者需要某些机制控制电流源所输出的电流时。

图1表示公知第5815039号美国专利所提出的运算转导放大器(operational transconductance amplifier，OTA)形式的压控电流源的电路图。请参考图1，该电路包括BJT晶体管Q1～Q8与两个电流源IO。该电路主要是以差动输入电压(图1上标示1/2ΔVi与-1/2ΔVi)，也就是BJT晶体管Q1与Q5(或BJT晶体管Q2与Q4)的基极电压的差值，来控制差动输出电流ΔI的大小。然而，一般公知OTA的其缺点是其只适用于小信号，且其输出的电流ΔI亦为小电流，因此，该电路的输入电压(图1上标示1/2ΔVi与-1/2ΔVi)对输出电流ΔI的操作范围相当小，只能处理小信号。

图2表示公知开关形式电流源的电路图。该电路包括电阻R1～RN、开关S21～S2N、放大器A201以及晶体管Q201。其主要是利用开关S21～S2N的导通或截止状态来控制共接电位VDD到晶体管Q201的射极间的阻抗，以达到控制晶体管Q201所流过的电流ΔI。然而该种利用开关S21～S2N来控制阻抗的电流源无法连续电流控制，而是一种阶段性的调整。

发明内容

本发明的目的就是在提供一种压控电流源，用以输入的控制电压来控制电流镜像电路所输出的受控电流，并且使控制电压对受控电流的函数呈现线性效果。

本发明的再一目的是提供一种扫频器，用以根据外部信号，使得振荡信号固定在该外部信号的频率上，并提高可锁定的频率范围以及提高所输出的振荡信号的精准度。

本发明提出一种压控电流源及使用该压控电流源的扫频器，该压控电流源包括第一阻抗电路、第一放大器、第一晶体管以及电流镜像电路。第一阻抗电路一端耦接一共同电压。第一放大器的第一端耦接第一阻抗电路的另一端，其第二端接收一控制电压。第一晶体管的栅极耦接第一放大器的输出端，其第一源极/漏极耦接第一阻抗电路的另一端。电流镜像电路耦接第一晶体管的第二源极/漏极，其包括一电流输出端，其中该电流输出端所输出的电流与第一晶体管所流经的电流成比例。

依照本发明的较佳实施例所述的压控电流源，还包括初始电流提供单元，其耦接第一晶体管的第二源极/漏极，以使得电流镜像电路的电流输出端所流经的电流与初始电流提供单元所流经的电流以及第一晶体管所流经的电流的总合成比例。在一实施例中，初始电流提供单元包括第二阻抗电路、第二放大器以及第二晶体管。第二阻抗电路的一端耦接第一共同电压。第二放大器的第一端耦接第二阻抗电路的另一端，其第二端接收第一预定电压。第二晶体管的栅极耦接放大器的输出端，其第一源极/漏极耦接阻抗电路的另一端，其第二源极/漏极耦接第一晶体管的第二源极/漏极。

依照本发明的较佳实施例所述的压控电流源，上述第一放大器与控制电压之间还包括一第三放大器，其第一端耦接控制电压，其第二端接收一第二预定电压，其输出端耦接第一放大器的第二端。在一较佳实施例中，该压控电流源还包括：第三阻抗电路以及第四阻抗电路。第三阻抗电路耦接于控制电压与第三放大器的第一端之间。第四阻抗电路耦接于第三放大器的第一端与第三放大器的输出端之间。

依照本发明的较佳实施例所述的压控电流源，其中在控制电压与第三放大器之间还包括一第四放大器，其第一端耦接其输出端，其第二端耦接控制电压，其输出端耦接第三放大器的第一端。在一实施例中，电流镜像电路包括第三晶体管以及第四晶体管。第三晶体管的第一源极/漏极耦接一第二共同电压，其第二源极/漏极耦接其栅极以及第一晶体管的第二源极/漏极。第四晶体管的栅极耦接第三晶体管的栅极，其第一源极/漏极耦接一第二共同电压，其第二源极/漏极为电流镜像电路的电流输出端。在一实施例中，第二共同电压大于第一共同电压，且第三与第四晶体管为P型晶体管，第一晶体管为N型晶体管。

本发明提出一种扫频器，包括压控电流源、流控振荡器以及比较电路，其中压控电流源包括阻抗电路、放大器、晶体管以及电流镜像电路。阻抗电路一端耦接一共同电压。放大器的第一端耦接阻抗电路的另一端，其第二端接收一控制电压。晶体管的栅极耦接第一放大器的输出端，其第一源极/漏极耦接阻抗电路的另一端。电流镜像电路耦接晶体管的第二源极/漏极，其包括一电流输出端，其中该电流输出端所输出的电流与晶体管所流经的受控电流成比例。流控振荡器耦接电流镜像电路的电流输出端，其包括输出端，根据受控电流的大小，决定其输出端所输出的振荡信号的频率高低；比较电路包括第一端、第二端与输出端，其第一端接收一外部信号，其第二端接收振荡信号，其输出端输出控制电压，根据外部信号以及振荡信号，决定控制电压的大小。

依照本发明的较佳实施例所述的扫频器，还包括初始电流提供单元，其耦接第一晶体管的第二源极/漏极，以使得电流镜像电路的电流输出端所流经的电流与初始电流提供单元所流经的电流以及第一晶体管所流经的电流的总合成比例。在一实施例中，初始电流提供单元包括第二阻抗电路、第二放大器以及第二晶体管。第二阻抗电路的一端耦接第一共同电压。第二放大器的第一端耦接第二阻抗电路的另一端，其第二端接收第一预定电压。第二晶体管的栅极耦接放大器的输出端，其第一源极/漏极耦接阻抗电路的另一端，其第二源极/漏极耦接第一晶体管的第二源极/漏极。

依照本发明的较佳实施例所述的扫频器，上述第一放大器与控制电压之间还包括一第三放大器，其第一端耦接控制电压，其第二端接收一第二预定电压，其输出端耦接第一放大器的第二端。在一较佳实施例中，该压控电流源还包括：第三阻抗电路以及第四阻抗电路。第三阻抗电路耦接于控制电压与第三放大器的第一端之间。第四阻抗电路耦接于第三放大器的第一端与第三放大器的输出端之间。

依照本发明的较佳实施例所述的扫频器，其中在控制电压与第三放大器之间还包括一第四放大器，其第一端耦接其输出端，其第二端耦接控制电压，其输出端耦接第三放大器的第一端。在一实施例中，电流镜像电路包括第三晶体管以及第四晶体管。第三晶体管的第一源极/漏极耦接一第二共同电压，其第二源极/漏极耦接其栅极以及第一晶体管的第二源极/漏极。第四晶体管的栅极耦接第三晶体管的栅极，其第一源极/漏极耦接一第二共同电压，其第二源极/漏极为电流镜像电路的电流输出端。在一实施例中，第二共同电压大于第一共同电压，且第三与第四晶体管为P型晶体管，第一晶体管为N型晶体管。

依照本发明的较佳实施例所述的扫频器，上述相位检测电路包括异或门以及低通滤波器。异或门的第一端接收一外部信号，其第二端接收振荡信号。低通滤波器的一端耦接异或门的输出端，另一端输出控制电压。在一实施例中，低通滤波器包括电阻以及电容器。电阻的一端耦接异或门的输出端。电容器的一端耦接电阻的另一端，其另一端耦接第一共同电位。

在本发明一方面，第一放大器与第一晶体管的耦接构成电压与电流转换器，再通过电流镜像电路耦接第一晶体管构成压控电流源，因此可以达到利用第一放大器所输入的控制电压来控制电流镜像电路所输出的电流。在本发明的另一方面利用上述的电压与电流转换器的结构，配合流控振荡器将电流转换成振荡信号，以及配合相位检测电路以根据该振荡信号以及外部信号转换成控制电压，如此便可以构成一扫频器以达到根据外部信号，使得振荡信号可以追随该外部信号的频率。另外，由于上述压控电流源，控制电压对受控电流的函数呈现极佳的线性效果，且控制电压可控制受控电流的范围相较于公知压控电流源要来得大，因此本发明的扫频器电路可锁定的频率范围相对较公知为大，且其所输出的振荡信号的精准度亦相对较公知准确。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1表示公知第5815039号美国专利所提出的运算转导放大器(operational transconductance amplifier，OTA)形式的压控电流源的电路图。

图2表示公知开关形式电流源的电路图。

图3表示本发明实施例的压控电流源的电路图。

图4表示本发明实施例的使用图3压控电流源的扫频器的电路图。

图5表示本发明实施例图4的扫频器的另一个实施电路的电路图。

图6表示图5电路的另一种变形实施例。

图7表示图5电路的一种变形实施例。

图8表示图5电路的另一种变形实施例。

图9表示图5、图7及图8的实施例的压控电流源的Vc对Ic函数图。

图10表示在上述图4～图8实施例中的流控振荡器的电路图。

主要元件符号说明

Q1～Q8：BJT晶体管

Io：电流源

1/2ΔVi、-1/2ΔVi：差动输入电压

ΔI：电流

R1～RN、R501、R502、R701、R801、R802：电阻

S21～S2N：开关

32、A201、A701、A801、A802、A1001、A1002、A1003：放大器

Q201：晶体管

41：压控电流源

42：流控振荡器

43：相位检测电路

ES：外部信号

OCS：振荡信号

Vc：控制电压

Ic：受控电流

31：阻抗电路

33、M701：晶体管

34：电流镜像电路

GND：共同电压

I33：晶体管33流过的电流

501：异或门

502：低通滤波器

C502：电容

VDD：共同电位

MP501、MP502、605：P型晶体管

61：相位频率检测器

62：电荷泵

601、602：D型触发器

603：与门

604：反相器

CLK：时钟输入端

606：N型晶体管

701：初始电流提供单元

Va、Vb：预定电压

1001：比较电路

1002：振荡转三角波电路

L1001：SR触发器

SW1001、SW1002：开关元件

C1001：电容

具体实施方式

图3表示本发明实施例的一种压控电流源的电路图。图4表示本发明实施例的一种使用图3压控电流源的扫频器的电路图。请先参考图4，该扫频器电路包括如图3所示的压控电流源41、流控振荡器42以及相位检测电路43。相位检测电路43接收一外部信号ES以及流控振荡器42所输出的振荡信号OCS，其根据外部信号ES以及振荡信号OCS之间的相位差，决定其所输出的控制电压Vc的大小。流控振荡器42根据受控电流Ic的大小，决定其所输出的振荡信号OCS的频率高低。压控电流源41根据控制电压Vc输出受控电流Ic，其详细电路请参考图3所示，该压控电流源41包括阻抗电路31、放大器32、晶体管33以及电流镜像电路34。

阻抗电路31的一端耦接共同电压GND。放大器32的负端耦接阻抗电路31的另一端，放大器32的正端耦接控制电压Vc。晶体管33的栅极耦接放大器32的输出端，其源极/漏极分别耦接阻抗电路31与电流镜像电路34。电流镜像电路34包括一电流输出端，其中该电流输出端所输出的受控电流Ic与晶体管33所流经的电流成比例。由于放大器32的负输入端耦接阻抗电路31与晶体管33，且放大器32的负输入端与放大器32的正输入端电位相同，因此晶体管33与阻抗电路31所耦接的端点电位相当于控制电压Vc。通过改变该控制电压Vc，便可以控制晶体管33流过的电流I33大小，进一步改变受控电流Ic的大小。

上述图3的压控电流源，控制电压Vc对受控电流Ic的函数呈现极佳的线性效果，且控制电压Vc可控制受控电流Ic的范围相较于公知图1的压控电流源要来得大。当应用于本发明实施例图4的扫频器，利用本发明实施例的压控电流源来控制流控振荡器42，其可锁定的频率范围相对较公知为大，且其所输出的振荡信号的精准度亦相对较公知准确。

接下来将举出数种实施例，以便本技术领域者能轻易施行本发明。

图5表示本发明实施例图4的扫频器的另一个实施电路的电路图。请参考图4，该实施例更进一步的将相位检测电路43利用异或门501以及低通滤波器502实施的，而其中，低通滤波器502在该实施例是以电阻R502与电容C502作为实施例。另外，本实施例将压控振荡器中的电流镜像电路以耦接共同电位VDD的P型晶体管MP501与MP502实施，阻抗电路31则以电阻R501实施。

当该电路工作时，外部信号ES的频率领先振荡信号OCS时，异或门501便会输出高电位，并且对低通滤波器502的电容C502充电，使得本实施例的压控电流源所输入的控制电压Vc上升，连带使得本实施例的压控电流源所输出的受控电流Ic上升，流控振荡器42所输出的振荡信号OCS的频率也随着受控电流Ic上升而上升。

当外部信号ES与振荡信号OCS同频率时，异或门501便会根据外部信号ES与振荡信号OCS的相位差输出一电位调整信号，来调整压控电流源所输入的控制电压Vc的大小，直至控制电压Vc稳定于一稳定值，外部信号ES与振荡信号OCS的相位差也随的稳定，此时外部信号ES与振荡信号OCS彼此同步(同频率且具有一固定相位差)。虽然该电路并不会一定将振荡信号OCS与外部信号ES锁定在同相位，但是仍然可以使该两信号维持在相同的频率。

在本领域普通技术人员应当知道，上述的以异或门501与低通滤波器502实施的相位检测电路43仅仅是一种特定实施例，应知道，该实施例亦可以使用锁相回路中的相位/频率检测器取代异或门501，如图6所表示的相位/频率检测器电路，该电路包括相位频率检测器61与电荷泵62，其中相位频率检测器61以D型触发器601、602与与门603实施，电荷泵62以反相器604、P型MOS晶体管605以及N型MOS晶体管606实施，其中D型触发器601、602的时钟输入端CLK分别接收外部信号ES与振荡信号OCS。通过该电路，更能准确的锁定频率与相位。

图7表示图5电路的一种变形实施例。请参考图7，其与图5的差异在于多了一初始电流提供单元701耦接晶体管33，其中该初始电流提供单元包括晶体管M701、放大器A701以及电阻R701，其元件的耦接关系请参见图7。其中放大器A701的正输入端接收一预定电压Va以使得电流镜像电路34在启动时有一初始电流。

图8表示图5电路的另一种变形实施例。请参考图8，其与图5的差异在于该图8的扫频器多了放大器A801、A802、电阻R801与R802。放大器A801的正端接收另一预定电压Vb，其负端与其输出端之间耦接电阻R801。电阻R802耦接于放大器A801的负端与放大器A802的输出端之间。放大器A802的负端耦接其输出端，其正端耦接如图5相位检测电路的低通滤波器502。

该实施例通过放大器A802的正输入端输入控制电压Vc以控制电流镜像电路34输出的受控电流Ic，其两者所呈现的Vc对Ic的函数与图5压控电流源的Vc对Ic的函数相反。图9表示图5实施例的压控电流源的Vc对Ic函数、图7实施例的压控电流源的Vc对Ic函数以及图8实施例的压控电流源的Vc对Ic函数。其中线901表示图5实施例的压控电流源的Vc对Ic函数，线902表示图7实施例的压控电流源的Vc对Ic函数，而线903表示图8实施例的压控电流源的Vc对Ic函数。

图10表示在上述图4～图8实施例中的流控振荡器的电路图。请参考图10，该电路包括比较电路1001与振荡转三角波电路1002，其中比较电路1001包括放大器A1001、A1002、A1003以及SR触发器L1001，振荡转三角波电路1002包括开关元件SW1001、SW1002以及电容C1001。另外在该实施例中，开关元件SW1001与开关元件SW1002分别耦接本发明实施例的压控电流源I1001与I1002。

假设初始时，振荡信号OCS为逻辑低电位，此时开关元件SW1001导通，开关元件SW1002截止。压控电流源I1001通过开关元件SW1001对电容C1001充电，三角波信号TW的电平因而升高。实施例说明到此应当可注意到，当压控电流源I1001所提供的受控电流Ic越大时，充电速度越快。当三角波信号TW的电平上升到大于参考电压VREF1时，放大器A1001输出逻辑低电位，SR触发器L1001的Q输出端输出逻辑低电位，SR触发器L1001的反Q输出端输出逻辑高电位。放大器A1003所输出的振荡信号OCS因此由逻辑低电位转换为逻辑高电位，因而使得开关元件SW1001截止，SW1002导通，电容C1001开始放电，三角波信号TW的电平开始下降。

当三角波信号TW的电平下降到小于参考电压VREF2时，放大器A1001输出逻辑高电位，放大器A1002输出逻辑低电位，因此放大器A1003所输出的振荡信号OCS由逻辑高电位转为逻辑低电位。如此循环操作便可以使振荡信号OCS在高低电位来回振荡。另外通过压控电流源I1001以及I1002便可以控制电容C1001充放电时间，进一步达到控制振荡信号OCS的振荡频率。

在本领域具有通常知识者应当知道，上述流控振荡器仅为一实施例，在其中的SR触发器L1001可以用其他等效电路置换，另外压控电流源I1001以及I1002亦可以择一使用，并不需要两者皆使用，亦或者是其中的一使用压控电流源，另一则使用普通电流源。

综上所述，在本发明一方面，通过放大器、阻抗元件与晶体管的耦接构成电压与电流转换器，再通过电流镜像电路耦接晶体管构成压控电流源，因此可以达到利用第一放大器所输入的控制电压来控制电流镜像电路所输出的电流。在本发明的另一方面利用上述的电压与电流转换器的结构，配合流控振荡器将电流转换成振荡信号，以及配合相位检测电路将该振荡信号以及外部信号的相位差转换成控制电压，如此便可以构成一扫频器以达到根据外部信号，使得振荡信号可追随一外部的参考频率。另外，由于实施例中的压控电流源，控制电压Vc对受控电流Ic的函数呈现极佳的线性效果，且控制电压Vc可控制受控电流Ic的范围相较于先前技术中压控电流源要来得大，因此本发明的扫频器电路可锁定的频率范围相对较公知为大，且其所输出的振荡信号的精准度亦相对较公知准确。

本发明虽以优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可进行更动与修改，因此本发明的保护范围以所提出的权利要求所限定的范围为准。

Claims (15)

1.一种压控电流源，包括：

一第一阻抗电路，一端耦接一第一共同电压；

一第一放大器，包括第一端、第二端与输出端，其第一端耦接该第一阻抗电路的另一端，其第二端耦接一控制电压；

一第一晶体管，其栅极耦接该第一放大器的输出端，其第一源极/漏极耦接该第一阻抗电路的另一端；以及

一电流镜像电路，耦接该晶体管的第二源极/漏极，其包括一电流输出端，其中该电流输出端所输出的电流与该第一晶体管所流经的电流成比例。

2.如权利要求1所述的压控电流源，还包括一初始电流提供单元，耦接该第一晶体管的第二源极/漏极，以使得该电流镜像电路的电流输出端所流经的电流与该初始电流提供单元所流经的电流以及该第一晶体管所流经的电流的总合成比例。

3.如权利要求1所述的压控电流源，其中在该第一放大器与该控制电压之间还包括：

一第三放大器，包括第一端、第二端与输出端，其第一端耦接该控制电压，其第二端接收一第二预定电压，其输出端耦接该第一放大器的第二端。

4.如权利要求3所述的压控电流源，还包括：

一第三阻抗电路，耦接于该控制电压与该第三放大器的第一端之间；以及

一第四阻抗电路，耦接于该第三放大器的第一端与该第三放大器的输出端之间。

5.如权利要求3所述的压控电流源，其中在该控制电压与该第三放大器之间还包括：

一第四放大器，包括第一端、第二端与输出端，其第一端耦接其输出端，其第二端耦接该控制电压，其输出端耦接该第三放大器的第一端。

6.一种扫频器，包括：

一压控电流源，包括；

一第一阻抗电路，一端耦接一第一共同电压；

一第一放大器，包括第一端、第二端与输出端，其第一端耦接该第一阻抗电路的另一端，其第二端耦接一控制电压；

一第一晶体管，其栅极耦接该第一放大器的输出端，其第一源极/漏极耦接该第一阻抗电路的另一端；以及

一电流镜像电路，耦接该晶体管的第二源极/漏极，其包括一电流输出端，其中该电流输出端所输出的一受控电流与该晶体管所流经的电流成比例；

一流控振荡器，耦接该电流镜像电路的电流输出端，其包括输出端，根据该受控电流的大小，决定其输出端所输出的一振荡信号的频率高低；以及

一相位检测电路，包括第一端、第二端与输出端，其第一端接收一外部信号，其第二端接收该振荡信号，其输出端输出该控制电压，根据该外部信号以及该振荡信号，决定该控制电压的大小。

7.如权利要求6所述的扫频器，还包括一初始电流提供单元，耦接该第一晶体管的第二源极/漏极，以使得该受控电流与该初始电流提供单元所流经的电流以及该第一晶体管所流经的电流的总合成比例。

8.如权利要求7所述的扫频器，其中该初始电流提供单元包括：

一第二阻抗电路，一端耦接该第一共同电压；

一第二放大器，包括第一端、第二端与输出端，其第一端耦接该第二阻抗电路的另一端，其第二端接收一第一预定电压；以及

一第二晶体管，其栅极耦接该放大器的输出端，其第一源极/漏极耦接该阻抗电路的另一端，其第二源极/漏极耦接该第一晶体管的第二源极/漏极。

9.如权利要求6所述的扫频器，其中在该第一放大器与该控制电压之间还包括：

一第三放大器，包括第一端、第二端与输出端，其第一端耦接该控制电压，其第二端接收一第二预定电压，其输出端耦接该第一放大器的第二端。

10.如权利要求9所述的扫频器，还包括：

一第三阻抗电路，耦接于该控制电压与该第三放大器的第一端之间；以及

一第四阻抗电路，耦接于该第三放大器的第一端与该第三放大器的输出端之间。

11.如权利要求9所述的扫频器，其中在该控制电压与该第三放大器之间还包括：

一第四放大器，包括第一端、第二端与输出端，其第一端耦接其输出端，其第二端耦接该控制电压，其输出端耦接该第三放大器的第一端。

12.如权利要求6所述的扫频器，其中该流控振荡器包括：

一比较电路，接收一三角波信号，将其与一第一参考电压与一第二参考电压作比较，以决定其所输出的该振荡信号为第一状态或第二状态；以及

一振荡转三角波电路，耦接该电流镜像电路以及该比较电路，接收该受控电流与该振荡信号，输出该三角波信号，其中该三角波信号的频率基于该受控电流而决定。

13.如权利要求12所述的扫频器，其中该振荡转三角波电路包括：

一电容，其一端耦接该第一共同电位；

一第一开关元件，耦接该压控电流源及该电容的另一端，其包括耦接该比较电路的一控制端，接收该振荡信号以决定其该压控电流源与该电容之间的导通状态；以及

一第二开关元件，耦接该第一共同电位及该第一开关元件，其包括耦接该比较电路的一控制端，接收该振荡信号以决定其该第一共同电位与该电容之间的导通状态。

14.如权利要求13所述的扫频器，其中在该第二开关元件与该第一共同电位之间还包括权利要求1所述的压控电流源。

15.如权利要求6所述的扫频器，其中该相位检测电路包括：

一相位频率检测器，接收一三角波信号以及一外部信号，经由比较后输出一上拉信号以及一下拉信号；

一电荷泵，包括输出端用以输出一电压信号，该电荷泵接收该上拉信号以及该下拉信号，用以根据该上拉信号以及该下拉信号输出该电压信号；以及

一低通滤波器，一端耦接该电压信号，另一端输出该控制电压。

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