CN101431312A - 用来产生差分振荡信号的可控振荡系统及相关方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用来产生差分振荡信号的可控振荡系统及相关方法。所述可控振荡系统包含有振荡电路与电流调整装置，其中振荡电路包含有可控谐振器、交叉耦合驱动装置与电流源。交叉耦合驱动装置耦接于可控谐振器，并用来驱动可控谐振器以产生差分振荡信号，而电流源耦接于交叉耦合驱动装置并用来提供第一电流；电流调整装置耦接于交叉耦合驱动装置，并用来调整通过交叉耦合驱动装置的电流。通过本发明的差分振荡信号的可控振荡系统及其相关方法，可用来产生差分振荡信号，并减少相位噪声。

Description

用来产生差分振荡信号的可控振荡系统及相关方法

技术领域

本发明是关于一种可控振荡系统，尤指一种用来产生差分振荡信号的可控振荡系统及其相关方法。

背景技术

一般而言，在射频(radio frequency，RF)通信应用中，需要使用振荡电路(例如传送端的主振荡器(master oscillator)或接收端的本机振荡器(localoscillator))来产生差分振荡信号以进行信号传输或接收，而对所述振荡电路来说，其主要性能判断标准是相位噪声的特性。一般具有较低相位噪声的振荡电路意味着在想要得到的基本频率信号外将产生较少的寄生信号(spurioussignal)，而通常这类相位噪声起因于所述振荡电路的主动组件中所存在的低频噪声；举例来说，电感电容振荡电路中的主动组件是指包含于所述电感电容振荡电路中的交叉耦合驱动装置中的晶体管。此低频噪声一般被称为闪烁噪声(flicker noise)，并且会被升频至想要得到的基本频率信号的频率附近，因此将会产生相位噪声。

请参照图1，图1是传统振荡电路100的概要示意图。如图1所示，振荡电路100包含有可控谐振器(controllable resonator)105、交叉耦合(cross-coupling)驱动装置110以及用来提供参考电流Iref的电流源115。可控谐振器105(也被称为电感电容谐振器)由电容C1、C2与电感L1、L2所构成，而交叉耦合驱动装置110则由N型金属氧化物半导体(NMOS)晶体管Q1、Q2所构成，并用来产生由振荡信号S1与S2所组成的差分振荡信号。在理想情况下，在同一时间点下仅N型金属氧化物半导体晶体管Q1、Q2的其中之一会被导通，亦即，N型金属氧化物半导体晶体管Q1、Q2在理想状态下不应同时处于导通状态。然而，实际上，由于上述所提到的闪烁噪声的关系，N型金属氧化物半导体晶体管Q1、Q2可能会被同时导通。以下为了简化叙述，在此假设仅考虑到由交叉耦合驱动装置110中N型金属氧化物半导体晶体管Q1引起的相位噪声，并且将所述相位噪声仿真为位于N型金属氧化物半导体晶体管Q1的栅极端上的微小电压源Vn。请参照图2，图2为显示图1所示的振荡信号S2与电压源Vn实际可能的电压波形。由相位噪声所产生的电压源Vn可能会造成N型金属氧化物半导体晶体管Q1的导通时间点过早或过晚，其导通时间点取决于电压源Vn加上振荡信号S2的电压总和是高于还是低于N型金属氧化物半导体晶体管Q1的阈值电压，亦即，在每次振荡信号S2的正负电压转换期间，N型金属氧化物半导体晶体管Q1、Q2皆可能会被导通；倘若同时考虑N型金属氧化物半导体晶体管Q1、Q2所造成的相位噪声，则此问题将变得更加严重。

针对上述的问题，其中一种传统的作法使用衰减装置(attenuating device)来消除相位噪声，所述衰减装置用来减少主动组件的反馈增益，而所述反馈增益即是用来放大具有比想要得到的基本频率信号更小的频率的信号，如此一来，将可压制原先被放大的低频噪声；其相关技术内容揭露见于美国专利号6,750,727与6,987,425的文件中，为了简化叙述，在此省略其详细的说明。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种能够调整通过振荡电路中交叉耦合驱动装置的电流的可控振荡系统，以减少相位噪声。

依据本发明的实施例，其揭露一种用来产生差分振荡信号的可控振荡系统。所述可控振荡系统包含有振荡电路与电流调整装置，其中振荡电路包含有可控谐振器、交叉耦合驱动装置与电流源。交叉耦合驱动装置耦接于可控谐振器，并用来驱动可控谐振器产生差分振荡信号，而电流源则耦接于交叉耦合驱动装置并用来提供第一电流。电流调整装置耦接于交叉耦合驱动装置，并用来调整通过交叉耦合驱动装置的电流。

依据本发明的实施例，另揭露一种用来产生差分振荡信号的方法。所述方法包含有提供具有可控谐振器、交叉耦合驱动装置与电流源的振荡电路以及调整通过交叉耦合驱动装置的电流。交叉耦合驱动装置耦接于可控谐振器并用来驱动可控谐振器以产生差分振荡信号，而电流源则耦接于交叉耦合驱动装置，并用来提供第一电流。

本发明提供了一种用来产生差分振荡信号的可控振荡系统及其相关方法，可用来产生差分振荡信号，并减少相位噪声。

附图说明

图1为传统振荡电路的概要示意图。

图2为图1所示的振荡信号与相位噪声所仿真的电压源的实际可能的电压波形图。

图3为本发明第一实施例的可控振荡系统的概要示意图。

图4为图3所示的可控振荡系统中振荡信号与节点N1上的电压电平波形图。

图5为本发明第二实施例的可控振荡系统的概要示意图。

图6为本发明第三实施例的可控振荡系统的概要示意图。

图7为本发明第四实施例的可控振荡系统的概要示意图。

图8为本发明第五实施例的可控振荡系统的概要示意图。

图9为本发明第六实施例的可控振荡系统的概要示意图。

具体实施方式

在说明书及后续的权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的组件。所属领域中相关技术人员应可理解，制造商可能会用不同的名词来称呼同样的组件。本说明书及后续的权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的基准。在通篇说明书及请求项当中所提及的“包含”为一开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。另外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述第一装置耦接于第二装置，则代表所述第一装置可直接电气连接于所述第二装置，或通过其它装置或连接手段间接地电气连接至所述第二装置。

在不影响本发明的电路实际运作的情况下，本发明在以下叙述中假设：在振荡信号S2的电平绝对值超过电压源Vn的电平绝对值之前，电压源Vn所造成的噪声能量大小被视为非常大(significant)的能量，而在振荡信号S2的电平绝对值超过电压源Vn的电平绝对值之后，此噪声的能量大小则被视为是可忽略的。另外，由于振荡信号S2的斜率值S在振荡信号S2的电平绝对值超过电压源Vn的电平绝对值之前(即图2所示的0～T1之间)，斜率值S可被视为几乎固定的数值，所以在本发明的实施例中假设斜率值S在此状况下的数值是固定的。对应于相位噪声的输出噪声电流Ion则可被视为由电压源Vn所造成的电流I’(在转换期间内电流I’将会由原先方向切换至另一相反方向)的两倍大小再乘上一时间间隔与振荡信号S2的周期T的比值的函数，其中所述时间间隔是指振荡信号S2的电平绝对值低于电压源Vn的电平绝对值时的时间间隔，例如时间间隔T2～T3，所以，输出噪声电流Ion的值可由以下等式所决定：

$\mathrm{Ion}=2\×I\′\×\frac{\frac{\mathrm{Vn}}{S}}{\frac{T}{2}}=4\×I\′\×\frac{\mathrm{Vn}}{S\×T}$            等式(1)

如上所述，若振荡信号S2为理想的方波，则几乎不会产生相位噪声，其理由是理想方波的每一信号转换边缘(transition edge)的斜率值几乎是无限大，而输出噪声电流Ion的值会趋近于零，所以相位噪声的值将会大幅地减少；然而，事实上通过任何已知的振荡电路来产生理想的方波是相当困难而且不可行的。因此，本发明的实施例通过动态地调整振荡电路中通过交叉耦合驱动装置的电流的技术手段，来提供一种能够在每一信号转换时间内减少电压源Vn所造成的噪声电流I’的可控振荡系统，以减少相位噪声。

请参照图3，图3是本发明第一实施例的可控振荡系统300的概要示意图。如图3所示，可控振荡系统300包含有振荡电路305与电流调整装置310，其中振荡电路305包含有可控谐振器315、交叉耦合驱动装置320与电流源325。电流调整装置310由用以提供电流Iref’的电流源330、开关335与控制电路340所构成。可控谐振器315、交叉耦合驱动装置320与电流源325的操作与功能与可控谐振器105、交叉耦合驱动装置110与电流源115的操作与功能相同，为了简化说明，在此不另赘述。电流调整装置310用来依据图3所示的节点N1上的电压电平选择性地调整通过交叉耦合驱动装置320的N型金属氧化物半导体晶体管Q1与Q2的电流，其中节点N1上的电压电平对应于振荡信号S1与S2所组成的差分振荡信号。电流调整装置310完成如下操作：利用控制电路340控制开关335的状态(通路(on)/断路(off))，从而经由节点N1选择性地向电流源325注入电流Iref’，用来依据可控振荡系统300的节点N1上电压电平的波形，动态地调整通过N型金属氧化物半导体晶体管Q1、Q2的电流。其中图4为可控振荡系统300的节点N1上电压电平的波形。在此应注意到，电流源330所提供的电流Iref’并不限定为固定电流；例如，也可将电流Iref’的值设计成依据节点N1上电压电平的值而定。

请参照图4，图4为图3所示的可控振荡系统300的振荡信号S1、S2的电压波形以及节点N1上的电压电平波形。如图4所示，当在每一信号转换时间内振荡信号S1、S2的电压波形跨越零值时，节点N1上的电压电平值也变成近乎为零，因此，节点N1上的电压电平值可用来决定何时电流调整装置310须向电流源325注入电流Iref’，以及何时电流调整装置310须停止向电流源325注入电流Iref’。详细来说，若节点N1上的电压电平落入预定范围内(例如0～+V1，其中V1为小于电压供应电平Vcc而大于零的电压电平值)，则电流调整装置310会向电流源325注入电流Iref’；反之，电流调整装置310则停止向电流源325注入电流Iref’。因此，当节点N1上的电压电平值落入所述预定范围内时，由于电流Iref’会被注入至电流源325中，所以通过N型金属氧化物半导体晶体管Q1与Q2的电流将变得相对很小，如此电压源Vn所造成的电流I’也变得较小，而输出噪声电流Ion的值将会减少，亦即，相位噪声已被减少或消除了。

另外，电流调整装置310的操作与功能也可通过N型金属氧化物半导体晶体管来实现。请参照图5，图5是本发明第二实施例的可控振荡系统500的概要示意图。由于N型金属氧化物半导体晶体管Q3的栅极端耦接于其本身的漏极端，所以N型金属氧化物半导体晶体管Q3栅极端与漏极端的偏压会使其位于饱和区(saturation region)而处于导通状态，只要电压降V3的值不低于N型金属氧化物半导体晶体管Q3的阈值电压，电压供应电平Vcc所提供的电流即会经由N型金属氧化物半导体晶体管Q3而注入至电流源325中。也就是说，在本实施例中，所述预定范围指从零值到N型金属氧化物半导体晶体管Q3的阈值电压的范围。应注意的是，N型金属氧化物半导体晶体管Q3并非本发明的限制；本领域技术人员应能了解可另外使用其它不同类型的晶体管(例如P型金属氧化物半导体晶体管)、二极管或其它的电子组件来达到动态地注入电流至电流源325的目的。

此外，图3所示的电流调整装置310也可通过使用控制电路340检测振荡信号S1、S2的电压波形(即可控谐振器315与交叉耦合驱动装置320的连接节点上电压电平的波形)以达到动态地调整通过N型金属氧化物半导体晶体管Q1、Q2的电流的目的。请参照图6，图6是本发明第三实施例的可控振荡系统600的概要示意图。如图6所示，控制电路340设计为用来检测节点N2与N3上电压电平的波形以及用来检测节点N2与N3上电压电平波形的差异(其中节点N2与节点N3为可控谐振器315与交叉耦合驱动装置320的连接节点)，所述差异所形成的波形相似于图4所示的节点N1上的电压电平波形。然而，使用控制电路340的检测方式并非本发明的限制；亦即，其它用来检测节点N2与N3上的电压电平的机制也适用于本发明。

另外，显然，本领域技术人员当可以理解，对电压供应电平Vcc与接地电平进行适当设计变化后，也可利用P型金属氧化物半导体晶体管来取代图3中所示的N型金属氧化物半导体晶体管Q1与Q2。请参照图7，图7是本发明第四实施例的可控振荡系统700的概要示意图。如图7所示，电流调整装置710依据可控振荡系统700的节点N1’上电压电平的波形并通过使用电流源730、开关735与控制电路740而选择性地由电流源725汲取出电流Iref’，以动态地调整通过P型金属氧化物半导体晶体管Q1’与Q2’的电流。其中控制电路740的操作类似于控制电路340的操作，为了简化说明在此不再赘述。当然，相关技术人员应可了解到，在本发明的另一实施例中电流调整装置710也可依据振荡信号S1与S2的电压电平波形选择性地由电流源725汲取出电流Iref’，而此种情况也落入本发明的范畴。

再者，图3所示的电流调整装置310与图7所示的电流调整装置710可应用于其它类型的电感电容式可控振荡系统中。举例来说，图3所示的电流调整装置310可应用于图8中所示基于互补式金属氧化物半导体(CMOS)晶体管的电感电容式可控振荡系统800，或是其也可应用于图9中所示以双极结型晶体管(BJT)为基础的电感电容式可控振荡系统900。因此，在阅读上述技术后，本领域技术人员可以了解如何针对图3、图7、图8、图9中所示的实施例进行其它可能的电路组态设计变化，故符合本发明的精神的相关设计变化皆应落入本发明的范畴。

虽然本发明的较佳实施例已经揭露如上，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内，当可做各种的更动与润饰，故本发明的保护范围当以权利要求的界定为准。

Claims (23)

1.一种用来产生差分振荡信号的可控振荡系统，其特征在于，所述可控振荡系统包含有：

振荡电路，包含有：

可控谐振器；

交叉耦合驱动装置，耦接于所述可控谐振器，用来驱动所述可控谐振器以产生所述差分振荡信号，以及

电流源，耦接于所述交叉耦合驱动装置，用来提供第一电流；以及

电流调整装置，耦接于所述交叉耦合驱动装置，用来调整通过所述交叉耦合驱动装置的电流。

2.如权利要求1所述的用来产生差分振荡信号的可控振荡系统，其为电感电容回路压控振荡器，其特征在于，所述可控谐振器为电感电容谐振器。

3.如权利要求1所述的用来产生差分振荡信号的可控振荡系统，其特征在于，所述电流调整装置依据对应于所述差分振荡信号的至少一特定电压电平来选择性地调整通过所述交叉耦合驱动装置的电流。

4.如权利要求3所述的用来产生差分振荡信号的可控振荡系统，其特征在于，所述电流调整装置耦接于所述电流源，用来依据所述特定电压电平选择性地注入第二电流至所述电流源。

5.如权利要求4所述的用来产生差分振荡信号的可控振荡系统，其特征在于，当所述特定电压电平落入预定范围内时，所述电流调整装置会注入所述第二电流至所述电流源，以及当所述特定电压电平未落入所述预定范围内时，所述电流调整装置会停止注入所述第二电流至所述电流源。

6.如权利要求5所述的用来产生差分振荡信号的可控振荡系统，其特征在于，所述特定电压电平为位于所述电流源的一端上的电压电平。

7.如权利要求5所述的用来产生差分振荡信号的可控振荡系统，其特征在于，所述电流调整装置依据对应于所述差分振荡信号的多个特定电压电平选择性地调整通过所述交叉耦合驱动装置的电流；以及所述多个特定电压电平为位于所述可控谐振器与所述交叉耦合驱动装置的多个连接节点上的电压电平。

8.如权利要求4所述的用来产生差分振荡信号的可控振荡系统，其特征在于，所述交叉耦合驱动装置包含有第一晶体管与第二晶体管，所述第一晶体管的第一端耦接于所述第二晶体管的控制端，所述第二晶体管的第一端耦接于所述第一晶体管的控制端，所述第一晶体管的第二端耦接于所述第二晶体管的第二端，所述特定电压电平位于所述第一晶体管的所述第二端与所述第二晶体管的所述第二端上，以及所述电流调整装置包含有：

第三晶体管，所述第三晶体管的第一端与控制端分别耦接于预定电压电平，以及所述第三晶体管的第二端耦接于所述电流源。

9.如权利要求3所述的用来产生差分振荡信号的可控振荡系统，其特征在于，所述电流调整装置耦接于所述电流源，用来依据所述特定电压电平选择性地由所述电流源汲取第二电流。

10.如权利要求9所述的用来产生差分振荡信号的可控振荡系统，其特征在于，当所述特定电压电平落入预定范围内时，所述电流调整装置自所述电流源汲取所述第二电流，以及当所述特定电压电平未落入所述预定范围内时，所述电流调整装置停止自所述电流源汲取所述第二电流。

11.如权利要求10所述的用来产生差分振荡信号的可控振荡系统，其特征在于，所述特定电压电平为位于所述电流源的一端上的电压电平。

12.如权利要求9所述的用来产生差分振荡信号的可控振荡系统，其特征在于，所述电流调整装置依据对应于所述差分振荡信号的多个特定电压电平选择性地调整通过所述交叉耦合驱动装置的电流，以及所述多个特定电压电平为位于所述可控谐振器与所述交叉耦合驱动装置的多个连接节点上的电压电平。

13.如权利要求9所述的用来产生差分振荡信号的可控振荡系统，其特征在于，所述交叉耦合驱动装置包含有第一晶体管与第二晶体管，所述第一晶体管的第一端耦接于所述第二晶体管的控制端，所述第二晶体管的第一端耦接于所述第一晶体管的控制端，所述第一晶体管的第二端耦接于所述第二晶体管的第二端，所述特定电压电平位于所述第一晶体管的所述第二端与所述第二晶体管的所述第二端上，以及所述电流调整装置包含有：

第三晶体管，所述第三晶体管的第一端与控制端分别耦接于预定电压电平，以及所述第三晶体管的第二端耦接于所述电流源。

14.一种用来产生差分振荡信号的方法，其特征在于，所述方法包含有：

提供振荡电路，所述振荡电路具有可控谐振器，交叉耦合驱动装置以及电流源，其中所述交叉耦合驱动装置耦接于所述可控谐振器，用来驱动所述可控谐振器以产生所述差分振荡信号，而所述电流源耦接于所述交叉耦合驱动装置，用来提供第一电流；以及

调整通过所述交叉耦合驱动装置的电流。

15.如权利要求14所述的用来产生差分振荡信号的方法，其特征在于，所述调整通过所述交叉耦合驱动装置的电流的步骤包含有：

依据对应于所述差分振荡信号的至少一特定电压电平选择性地调整通过所述交叉耦合驱动装置的所述电流。

16.如权利要求15所述的用来产生差分振荡信号的方法，其特征在于，所述依据所述特定电压电平选择性地调整通过所述交叉耦合驱动装置的电流的步骤包含有：

依据所述特定电压电平选择性地注入第二电流至所述电流源。

17.如权利要求16所述的用来产生差分振荡信号的方法，其特征在于，所述选择性地注入所述第二电流至所述电流源的步骤包含有：

当所述特定电压电平落入预定范围内时，注入所述第二电流至所述电流源；以及

当所述特定电压电平未落入所述预定范围内时，停止注入所述第二电流至所述电流源。

18.如权利要求17所述的用来产生差分振荡信号的方法，其特征在于，所述特定电压电平为位于所述电流源的一端上的电压电平。

19.如权利要求17所述的用来产生差分振荡信号的方法，其特征在于，依据对应于所述差分振荡信号的至少一特定电压电平选择性地调整通过所述交叉耦合驱动装置的所述电流的步骤包含有：

依据对应于所述差分振荡信号的多个特定电压电平选择性地调整通过所述交叉耦合驱动装置的电流，其中所述多个特定电压电平为位于所述可控谐振器与所述交叉耦合驱动装置的多个连接节点上的电压电平。

20.如权利要求15所述的用来产生差分振荡信号的方法，其特征在于，所述依据所述特定电压电平选择性地调整通过所述交叉耦合驱动装置的电流的步骤包含有：

依据所述特定电压电平选择性地自所述电流源汲取第二电流。

21.如权利要求20所述的用来产生差分振荡信号的方法，其特征在于，所述选择性地自所述电流源汲取所述第二电流的步骤包含有：

当所述特定电压电平落入预定范围内时，自所述电流源汲取所述第二电流；以及

当所述特定电压电平未落入所述预定范围内时，停止自所述电流源汲取所述第二电流。

22.如权利要求21所述的用来产生差分振荡信号的方法，其特征在于，所述特定电压电平为位于所述电流源的一端上的电压电平。

23.如权利要求21所述的用来产生差分振荡信号的方法，其特征在于，所述依据对应于所述差分振荡信号的至少一特定电压电平选择性地调整通过所述交叉耦合驱动装置的电流的步骤包含有：

依据对应于所述差分振荡信号的多个特定电压电平选择性地调整通过所述交叉耦合驱动装置的电流，其中所述多个特定电压电平为位于所述可控谐振器与所述交叉耦合驱动装置的多个连接节点上的电压电平。

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