CN101409530B

CN101409530B - 压控振荡器

Info

Publication number: CN101409530B
Application number: CN2007101811422A
Authority: CN
Inventors: 陈家源; 邱永明; 邱伟茗
Original assignee: Realtek Semiconductor Corp
Current assignee: Realtek Semiconductor Corp
Priority date: 2007-10-12
Filing date: 2007-10-12
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2027-10-12
Also published as: CN101409530A

Abstract

一种压控振荡器，其包含有：一振荡单元，用来根据一偏压电流产生一振荡信号；一电流镜，用来提供该偏压电流，该电流镜包含：至少一第一晶体管，其耦接于一第一电压电平及一电流源之间；以及至少一第二晶体管，耦接该第一电压电平，该第二晶体管的栅极耦接该第一晶体管的栅极以及该电流源；一开关模块，耦接至该电流镜；以及一控制模块，耦接至该开关模块，用来根据该振荡信号控制该开关模块以调整该偏压电流的大小。

Description

压控振荡器

技术领域

本发明涉及一种压控振荡器，特别涉及一种可以控制偏压电流来控制压控振荡器的振荡信号的压控振荡器。

背景技术

压控振荡器已经成为各种电路中经常使用的装置之一，尤其是在锁相环上的使用。相关现有技术请参考美国专利U.S.6,781,471、美国专利申请案U.S.20030025566及U.S.20050248410。

然而，由于现有技术的结构并非线性地调整压控振荡器的偏压电流，因此无法准确地使压控振荡器依据偏压电流产生所需的振荡频率。

发明内容

因此本发明的主要目的之一在于提供一种可以线性调整偏压电流的压控振荡器，以解决现有技术中的问题。

依据本发明的一实施例，揭露一种压控振荡器(voltage-controlledoscillator，VCO)，其包含有：一振荡单元，用来根据一偏压电流产生一振荡信号；一电流镜，用来提供该偏压电流，包含：至少一第一晶体管，其耦接于一第一电压电平及一电流源之间；至少一第二晶体管，耦接该第一电压电平，该第二晶体管的栅极耦接该第一晶体管的栅极以及该电流源；一开关模块，耦接至该电流镜；以及一控制模块，耦接至该开关模块，用以控制该开关模块以调整该偏压电流的大小。

本发明提供了一种压控振荡器，其包含有：一振荡单元，用来根据一偏压电流产生一振荡信号；一电流镜，用来提供该偏压电流，包含：至少一第一晶体管，其耦接于一第一电压源及一电流源之间，和多个第二晶体管，耦接该第一电压源，所述第二晶体管的栅极耦接该第一晶体管的栅极以及该电流源；一开关模块，包含多个开关，所述开关耦接于多个第二晶体管与该振荡单元之间；以及一控制模块，耦接至该开关模块，用以控制所述开关的导通个数，以调整该偏压电流的大小。

本发明还提供了一种压控振荡器，其包含有：一振荡单元，用来根据一偏压电流产生一振荡信号；一电流镜，用来提供该偏压电流，包含：多个第一晶体管，耦接于一第一电压源及一电流源之间，和至少一第二晶体管，耦接该第一电压源，该第二晶体管的栅极耦接所述第一晶体管的栅极以及该电流源；一开关模块，包含多个开关，所述开关耦接于多个第一晶体管与该电流源之间；以及一控制模块，耦接至该开关模块，用以控制所述开关的导通个数，以调整该偏压电流的大小。

本发明还提供了一种压控振荡器，其包含有：一振荡单元，用来根据一偏压电流产生一振荡信号；一电流镜，用来提供该偏压电流，包含：至少一第一晶体管，其耦接于一第一电压源及一电流源之间，和至少一第二晶体管，耦接该第一电压源，该第二晶体管的栅极耦接该第一晶体管的栅极以及该电流源，其中，该电流源包含多个子电流源；一开关模块，包含多个开关，所述开关耦接于该第一晶体管及所述子电流源之间；以及一控制模块，耦接至该开关模块，用以控制所述开关的导通个数，以调整该偏压电流的大小。

本发明以偏压电流的方式来取代前述的电压偏压的方式，因此本发明可以利用电流镜电路，来限制通过压控振荡器的总电流，换句话说，压控振荡器所消耗的总电流会被电流镜所限制，因此，本发明可以用比较低的功率消耗来达到系统规定的相位噪声规格；此外，由于本发明是通过控制电流镜中的开关导通个数，来控制所输入的偏压电流，因此本发明可以具有一较线性的控制机制，如此可较精准地将偏压电流调整到压控振荡器所须的最佳电流。

附图说明

图1为本发明压控振荡器的一第一实施例的示意图。

图2为图1所示的控制电路的一实施例的示意图。

图3为本发明压控振荡器的第二实施例的示意图。

图4为本发明压控振荡器的第三实施例的示意图。

图5为本发明压控振荡器的第四实施例的示意图。

图6为本发明压控振荡器的第五实施例的示意图。

附图符号说明

100、300、400、	压控振荡器	111	电感电容振荡器
				500、600
120、320、420	电流镜电路	130	控制模块
				131、331、431	控制电路	132	检测模块
110	振荡模块	133	参考电路
				134、135	比较器	136	计数器
140	开关模块

具体实施方式

请参阅图1，图1为本发明压控振荡器100的一第一实施例的示意图。如图1所示，压控振荡器100包含有一振荡模块110，其具有电感电容振荡器(LC共振腔)111以及交错耦接(cross-coupled)的两晶体管M1、M2，一电流镜电路120、一开关模块140，以及一控制模块130。其中，控制模块130包含有一控制电路131，一振幅检测器132，以及一参考电路133；其中，电流镜电路120包含有n组电流镜(其中，n为正整数)，每一组电流镜均包含有一个P型金属氧化物半导体场效晶体管M_B1-M_Bn，其用来复制电流IB₁；而开关模块140则包含有多个开关W₁-W_n，其中，每一个开关是连接到一个晶体管M_B1-M_Bn与LC共振腔111的电感之间。

在此请注意，LC共振腔111是用来根据偏压电流来产生振荡信号，而晶体管M1、M2是用来作为一负电阻使用，以降低能量损耗；此两元件的功能与操作已在业界所现有，故不另赘述于此。而其它元件的功能与操作将在以下详述。

在此请注意，LC共振腔111所产生的振荡信号的振幅不宜过大或是过小；若振幅过大则会使晶体管M1、M2进入饱和区，进而使得相位噪声变大；而振幅过小亦会使得噪声能量对信号能量的比值过大，等效于相位噪声的增加。因此，本发明控制模块130是根据振荡频率的振幅，视其是否有过大或是过小的情况来反馈一控制信号至开关模块140，以控制各开关W₁-W_n的导通状况，进而调整偏压电流。因此，控制模块130可以维持振荡频率的振幅在一预定范围。

如图1所示，控制模块130内部的检测模块132耦接于LC共振腔111的节点A、B，用来检测LC共振腔111所输出的振荡信号的振幅Vpeak；而参考电路133是用来产生一个高参考电压值V_H以及一个低参考电压值V_I；接着，控制电路131会将振荡信号的振幅Vpeak与高、低参考电压值V_H、V_I进行比较。此时，若控制电路131检测出振荡信号的振幅Vpeak大于高参考电压值V_H，则代表振荡信号的振幅Vpeak过大，控制电路131会输出一多位数字控制信号(B1-Bn)，其中，每一位B₁-B_n传输至前述的开关W₁-W_n，以将适当数量的开关截止，因此减少了开关W₁-W_n的导通个数。如此一来，电流镜电路120所输出的总偏压电流就会减少，而LC共振腔131的振荡信号的振幅Vpeak也会相对应地降低。另一方面，若控制电路131检测出振荡信号的振幅Vpeak小于低参考电压值V_I，则代表振荡信号的振幅Vpeak过小，控制电路331会输出前述的多位控制信号B₁-B_n至各个电流镜电路的开关W₁-W_n来驱动适当数量的开关，藉以增加开关W₁-W_n的导通个数。因此，电流镜电路120输出的总偏压电流就会升高，而LC共振腔111的振荡信号的振幅Vpeak亦会相对应地升高。经由前面的揭露，可知控制模块130实可达成前述的反馈机制。

请参阅图2，图2为图1所示的控制电路131的一实施例的示意图。如图2所示，控制电路131为一数字电路，其包含有两个比较器134、135以及一计数器136。比较器134是用来比较振荡信号的振幅Vpeak与前述的高参考电压V_H，并将其比较结果传递至计数器136。而比较器135是用来比较振荡信号的振幅Vpeak与前述的低参考电压V_I，并将其比较结果传递至计数器136。因此，计数器136可以根据比较器134、135的比较结果来改变内部所记录的计数值(count value)，并根据其计数值来产生一n位的数字控制信号B₁-B_n至开关W₁-W_n，以控制开关W₁-W_n的导通状况，而完成前述的反馈机制，揭露至此，此领域具有通常知识者应可理解，故不另赘述。

在此请注意，在前面的揭露中，控制电路131是比较振荡信号的振幅与一参考信号，然而，本发明并不以此为限；在实际应用上，检测电路132是作为一反馈电路使用，不但可检测该振荡信号的振幅，也可利用来计算出该振荡信号的方均根值(root mean square value)或平均值(average value)，因此控制电路131可将参考信号与该振荡信号的方均根值(root mean squarevalue)、平均值(average value)或振幅进行比较，以进行反馈控制；如此的相对应变化，亦属本发明的范畴。

然而，在此请注意，本发明并未限制控制电路131、检测模块132、与参考电路133的实作方式；举例来说，前述的高、低参考电压V_H、V_I可以由外部电路提供，而并非限制必须由参考电路133产生，因此，参考电路133是一选择性(optional)的装置；此外，图2所示的控制电路131亦仅为本发明的一较佳实施例，换句话说，所有能够提供前述的反馈机制的控制电路，以及可以用来检测振荡信号的振幅的振幅检测电路，均属本发明的范畴。

此外，控制电路131亦可直接由系统控制，来实现其反馈机制；举例来说，由于之后的系统将使用到振荡信号，因此便可藉由使用振荡信号时所得知的振荡信号特性，来对控制电路131进行控制，使控制电路131输出其控制信号来控制偏压电流的大小，进而达成调整振荡信号的目的。当然，此种设计亦属本发明的范畴。在实际应用上，系统可以将信息存储在存储装置中，而控制电路131是从存储装置得知系统欲切换的开关，于是，控制电路131便可依据系统的指示来控制开关模块；举例来说，开关模块中每一个开关可以对应一寄存器，而系统可将开关模块欲切换的状态存储在寄存器中，如此一来，控制电路131只需读取寄存器中的数据，并且依据寄存器中的数据发出多位的数字信号，来控制该开关模块中各开关的切换状态。如此的相对应变化，亦属本发明的范畴。

此外，除了控制电流镜电路的开关W₁-W_n之外，也可以利用另外一种机制来达到控制偏压电流的目的。在此请参阅图3，图3为本发明压控振荡器300的第二实施例的示意图。在此请注意，图1的压控振荡器100与压控振荡器300的结构与运作方式大致相同，其差异在于：压控振荡器300的控制模块330是通过控制开关W₁-W_n的导通状况，以从电流源IB1-IBn之间选择出至少一个电流源(或多个电流源)来作为电流镜电路320的复制电流。如此一来，控制模块330便可以前述的机制来控制偏压电流的大小，进而调整振荡信号的振幅。

再者，请参阅图4，图4为本发明压控振荡器400的第三实施例的示意图。在此请注意，图1的压控振荡器100与压控振荡器400的结构与运作方式亦大致相同，其差异在于：压控振荡器400的控制模块430是通过控制开关W₁-W_n的导通状况，以选择至少一晶体管M_P1-M_Pn(或多个晶体管)，以决定出电流镜电路420中欲复制的电流大小。相同地，如此一来，控制模块430亦可利用前述的机制来控制偏压电流的大小，进而调整振荡信号的振幅。

由前面的揭露可知，在第一实施例中，本发明是通过改变电流镜电路120中晶体管M_B1-M_Bn导通的个数而调整电流镜电路120输出至LC共振腔的偏压电流；在第二实施例中，本发明是通过改变电流源的个数，来控制电流镜电路320所输出的复制电流大小；而在第三实施例中，本发明是通过改变电流镜电路中420晶体管M_P1-M_Pn的个数，来控制电流镜电路420所输出的偏压电流大小；前述的三种相对应变化，亦属本发明的范畴。

在此请参阅图5，图5为本发明压控振荡器500的第四实施例的示意图。在压控振荡器500中，LC共振腔所采用的电感并非为图3所示的中间抽头的电感，而等效地更换成连接至节点C的两电感L1、L2；揭露至此，熟习此项技术者应可理解，故不另赘述。

在此请参阅图6，图6为本发明压控振荡器600的第五实施例的示意图。压控振荡器600是以压控振荡器300为根基，另加入了电容C1、C2以及电感L3，耦接于振荡单元与电压Vss之间，以作为一滤波单元使用，使得压控振荡器600的相位噪声更少；由于其相关的原理与功能已为业界所现有，故不另赘述于此。

在此请注意，由于本发明是通过控制电流镜中的开关导通个数，来控制所输入的偏压电流，因此本发明可以具有一较线性的控制机制，如此可较精准地将偏压电流调整到压控振荡器所须的最佳电流。

在此请注意，在前述的实施例中，本发明并未限制晶体管M1、M2的实作方式，举例来说，晶体管M1、M2可皆为NMOS、PMOS，或是双载子接面晶体管，如此的相对应变化，均不违背本发明的精神。

此外，在前述的实施例中，本发明亦未限制LC共振腔的实作方式，除了电感可以采用中间抽头的电感或是两电感之外，电容亦可有多种变化；举例来说，电容除了采用前述实施例所示的变容二极管之外，电感电容振荡器111的电容由两变容二极管C_var构成。两变容二极管C_var是依据施加于其上的反向电压来改变本身的电容值。因此，电感电容振荡器111的电容值可通过一控制电压来进行调整；或者，电感电容振荡器111的电容亦可采用金属绝缘层金属(metal-insulator-matal，MIM)电容，如此的相对应变化，亦不违背本发明的精神。

相较于现有技术，本发明以偏压电流的方式来取代前述的电压偏压的方式，因此本发明可以利用前述的电流镜电路，来限制通过晶体管M1、M2的总电流，因此，本发明可以用比较低的功率消耗来达到系统规定的相位噪声规格；此外，由于本发明是通过控制电流镜中的开关导通个数，来控制所输入的偏压电流，因此本发明可以具有一较线性的控制机制，如此可较精准地将偏压电流调整到压控振荡器所须的最佳电流。

以上虽以实施例说明本发明，但并不因此限定本发明的范围，只要不脱离本发明的要旨，该行业者可进行各种变形或变更。

Claims

1.一种压控振荡器，其包含有：

一振荡单元，用来根据一偏压电流产生一振荡信号；

一电流镜，用来提供该偏压电流，包含：

至少一第一晶体管，其耦接于一第一电压源及一电流源之间；和

多个第二晶体管，耦接该第一电压源，所述第二晶体管的栅极耦接该第一晶体管的栅极以及该电流源；

一开关模块，包含多个开关，所述开关耦接于多个第二晶体管与该振荡单元之间；以及

一控制模块，耦接至该开关模块，用以控制所述开关的导通个数，以调整该偏压电流的大小。

2.如权利要求1所述的压控振荡器，其中，该振荡单元包含一电感，该电感以中央抽头方式耦接该开关模块。

3.一种压控振荡器，其包含有：

一振荡单元，用来根据一偏压电流产生一振荡信号；

一电流镜，用来提供该偏压电流，包含：

多个第一晶体管，耦接于一第一电压源及一电流源之间；和

至少一第二晶体管，耦接该第一电压源，该第二晶体管的栅极耦接所述第一晶体管的栅极以及该电流源；

一开关模块，包含多个开关，所述开关耦接于多个第一晶体管与该电流源之间；以及

4.如权利要求3所述的压控振荡器，其中，该振荡单元包含一电感，该电感以中央抽头方式耦接该第二晶体管。

5.一种压控振荡器，其包含有：

一振荡单元，用来根据一偏压电流产生一振荡信号；

一电流镜，用来提供该偏压电流，包含：

至少一第二晶体管，耦接该第一电压源，该第二晶体管的栅极耦接该第一晶体管的栅极以及该电流源，

其中，该电流源包含多个子电流源；

一开关模块，包含多个开关，所述开关耦接于该第一晶体管及所述子电流源之间；以及

6.如权利要求5所述的压控振荡器，其中，该振荡单元包含一电感，该电感以中央抽头方式耦接该第二晶体管。

7.如权利要求1、3和5中的一项所述的压控振荡器，其进一步包含一反馈电路，用以依据该振荡信号提供一反馈信号至该控制模块，该控制模块依据该反馈信号控制所述开关的导通个数。

8.如权利要求7所述的压控振荡器，其中，该控制模块比较该反馈信号及一参考信号，以决定增加或减少该偏压电流。

9.如权利要求7所述的压控振荡器，其中，该反馈电路依据该振荡信号的方均根值、平均值、或振幅以产生该反馈信号。

10.如权利要求1、3和5中的一项所述的压控振荡器，其中，该控制模块输出一多位信号以控制所述开关的导通个数。

11.如权利要求1、3和5中的一项所述的压控振荡器，其中，该振荡单元包含：

一电容电感共振腔，其包含一电容模块以及一电感模块；以及

一交错耦接的一第三及第四晶体管，耦接至该电容电感共振腔；

其中，该第三及第四晶体管耦接于该电感模块及一第二电压源之间，且该第二电压源不同于该第一电压源。

12.如权利要求11所述的压控振荡器，其中，该第一及第二电压源的电压值是固定的。

13.如权利要求11所述的压控振荡器，其中，该电容模块包含一金属绝缘层金属电容。

14.如权利要求11所述的压控振荡器，其中，该电容模块包含一第一变容二极管以及一第二变容二极管，该第一与第二变容二极管皆包含一阴极端以及一阳极端，且该第一与第二变容二极管的阳极端皆接收一控制电压，以根据该控制电压的变动改变该电容模块的电容值。

15.如权利要求11所述的压控振荡器，其中，该振荡单元包含一滤波单元，其耦接于该第三、第四晶体管与该第二电压源之间。

16.如权利要求11所述的压控振荡器，其中，该第三及第四晶体管构成一负电阻。

17.如权利要求1、3和5中的一项所述的压控振荡器，其进一步包含一存储单元，该控制模块依据该存储单元所存储的数据以控制所述开关的导通个数。

18.如权利要求1、3和5中的一项所述的压控振荡器，其中，该控制模块经由控制所述开关的导通个数，以线性地调整该偏压电流。