CN104734634A - 可控式振荡器及可控式振荡方法 - Google Patents

可控式振荡器及可控式振荡方法 Download PDF

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CN104734634A CN201410673484.6A CN201410673484A CN104734634A CN 104734634 A CN104734634 A CN 104734634A CN 201410673484 A CN201410673484 A CN 201410673484A CN 104734634 A CN104734634 A CN 104734634A
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Abstract

本发明公开了可控式振荡器及可控式振荡方法。该可控式振荡器包括一电压式偏压电路以及一振荡核心电路。电压式偏压电路用以接收一参考电流并且输出一偏压电压。振荡核心电路用以接收偏压电压并且维持一振荡。其中，电压式偏压电路包括一电流对电压转换器、一低通滤波器以及一源极随耦器。电流对电压转换器用以将参考电流转换成参考电压。低通滤波器用以将参考电压过滤为过滤后参考电压。源极随耦器用以接收过滤后参考电压并且输出偏压电压。振荡核心电路包括一共振器以及一再生电路，并且再生电路耦接至共振器。此外，电流对电压转换器可包括至少一二极管连接式晶体管。

Description

可控式振荡器及可控式振荡方法
技术领域
发明是关于一种可控式振荡器，特别是关于一种低噪声可控式振荡器。
背景技术
图1为已知的可控式振荡器的示意图。参照图1，可控式振荡器100包括一电流镜110。电流镜110包括多个P型金属氧化物半导体(p-channelmetal oxide semiconductor；PMOS)晶体管111、112。电流镜110接收参考电流IREF，并且输出偏压电流IBIAS。可控式振荡器100亦包括一振荡核心电路140。振荡核心电路140包括一共振器120，并且此共振器120包括二电感121、122与受控于控制电压VC的可变电容123。共振器120接收偏压电流IBIAS，并决定振荡频率。振荡核心电路140亦包括一再生电路130，并且此再生电路130包括交叉耦合之二N型金属氧化物半导体(n-channel metal oxide semiconductor；NMOS)晶体管131、132。再生电路130耦接至共振器120，并且用以维持振荡。
于此，VDD代表供电电路节点。图1所示之可控式振荡器100的架构为本领域所熟知，故于此不在赘述。然而，典型之可控式振荡器因MOS晶体管(即，111、112、131、132)造成之闪变噪声而发生性能衰退。于此，此多个MOS晶体管调变振荡并致使相位噪声。
因此，希望能提供一种具有减少噪声之可控式振荡器。
发明内容
鉴于上述问题，根据本发明之可控式振荡器及可控式振荡方法通过搭配低通滤波一起使用电压式偏压方案来提供振荡核心电路的低噪声偏压。
此外，根据本发明之可控式振荡器及可控式振荡方法还通过使用电阻电容退化(RC degeneration)来抑制振荡核心电路的噪声。
在一实施例中，一种可控式振荡器包括一电压式偏压电路以及一振荡核心电路。电压式偏压电路用以接收一参考电流并且输出一偏压电压，而振荡核心电路用以接收偏压电压并且维持一振荡。其中，电压式偏压电路包括一电流对电压转换器、一低通滤波器以及一源极随耦器。电流对电压转换器用以将参考电流转换成参考电压。低通滤波器用以将参考电压过滤为过滤后参考电压。源极随耦器用以接收过滤后参考电压并且输出偏压电压。振荡核心电路包括一共振器以及一再生电路，并且再生电路耦接至共振器。在一些实施例中，电流对电压转换器可包括至少一二极管连接式晶体管。
在一些实施例中，共振器可包括一可变电容。在一实施例中，可变电容是受控于一控制电压。在另一实施例中，可变电容是受控于一数字码。在又一实施例中，可变电容是受控于数字码与控制电压的组合。在一些实施例中，再生电路可包括一对交叉耦合式晶体管。在一些实施例中，振荡核心电路可还包括一电阻电容退化电路，并且此电阻电容退化电路耦接至再生电路。在一些实施例中，电阻能并入至电流对电压转换器，藉以作为二极管连接式晶体管的源极退化。
在一实施例中，一种可控式振荡方法包括接收一参考电流、转换参考电流为一参考电压、过滤参考电压为一过滤后参考电压、利用一源极随耦器根据过滤后参考电压建立一偏压电压、提供偏压电压给具有一共振器与一再生电路的一振荡核心电路、通过控制共振器的一可变电容值建立一振荡频率、以及通过使用再生电路维持振荡核心电路的振荡。在一些实施例中，过滤步骤是利用一低通滤波器来执行。在一些实施例中，可控式振荡方法可更包括利用耦接至再生电路之电阻电容退化电路抑制再生电路的噪声。在一些实施例中，电流对电压转换器可包括至少一二极管连接式晶体管。在一些实施例中，共振器可包括一可变电容。
在一实施例中，可变电容是受控于一控制电压。在另一实施例中，可变电容是受控于一数字码。在又一实施例中，可变电容是受控于数字码与控制电压的组合。在一些实施例中，再生电路可包括一对交叉耦合式晶体管。在一些实施例中，电阻能并入至电流对电压转换器，藉以作为二极管连接式晶体管的源极退化。
附图说明
图1为已知的可控式振荡器的示意图。
图2为根据本发明一实施例之可控式振荡器的示意图。
图3为适用于使用在图2中之可控式振荡器中之振荡核心电路之一实施例的示意图。
图4为适用于使用在图2中之可控式振荡器中之电流对电压转换器之一实施例的示意图。
图5为根据本发明一实施例之可控式振荡方法的流程图。
具体实施方式
以下之详细描述系参照所附附图，通过附图说明，揭露本发明各种可实行之实施例。所记载之实施例是明确且充分揭露，以致使所属技术领域中的技术人员能据以实施。不同之实施例间并非相互排斥，某些实施例可与一个或一个以上之实施例进行合并而成为新的实施例。因此，下列详细描述并非用以限定本发明。
图2是根据本发明一实施例之可控式振荡器的示意图。参照图2，可控式振荡器200包括一电压式偏压电路(voltage-mode biasing network)210以及一振荡核心电路250。电压式偏压电路210耦接振荡核心电路250。电压式偏压电路210接收一参考电流IREF，并且输出一偏压电压VBIAS。振荡核心电路250接收偏压电压VBIAS，并且依照一控制电压VC的控制维持一振荡。电压式偏压电路210包括一电流对电压转换器(current-to-voltageconverter；I2V)220、一低通滤波器(low pass filter；LPF)230以及一源极随耦器(source follower)240。电流对电压转换器220包括二个二极管连接式晶体管221、222，并且此二个二极管连接式晶体管221、222架构成迭接拓朴。低通滤波器230包括电阻231与电容232。源极随耦器240包括一晶体管241。二极管连接式晶体管221、222迭接在参考电流IREF的输入端与地端之间。电阻231与电容232串接在二极管连接式晶体管221的控制端与地端之间。晶体管241的第一端耦接至供电端VDD、晶体管241的第二端耦接至振荡核心电路250，而晶体管241的控制端耦接至电阻231与电容232之间的接点。电流对电压转换器220转换参考电流IREF为参考电压VREF。低通滤波器230过滤参考电压VREF为一过滤后参考电压V'REF。源极随耦器240接收过滤后参考电压V'REF并且输出偏压电压VBIAS。其中，二极管连接式晶体管221、222可为N型金属氧化物半导体(n-channel metal oxide semiconductor；NMOS)晶体管。晶体管241可为NMOS晶体管。
振荡核心电路250包括一共振器260以及一再生电路270。共振器260包括二电感261、262以及一可变电容263。再生电路270包括一对交叉耦合式晶体管271、272。电感261、262串接在可变电容263的二端之间，而可变电容263的控制端耦接至控制电压VC的输入端。晶体管271的第一端耦接至可变电容263的一端以及晶体管272的控制端，而晶体管271的第二端耦接至地端。晶体管272的第一端耦接至可变电容263的另一端以及晶体管271的控制端，而晶体管272的第二端耦接至地端。可变电容263受控于控制电压VC。共振器260建立一振荡频率。再生电路270维持振荡核心电路250的振荡。其中，晶体管271、272可为NMOS晶体管。
在可控式振荡器200中，取代电流式偏压方案，电压式偏压方案用以建立振荡核心电路250的偏压。在使用电压式偏压方案上，偏压电压VBIAS建立在源极随耦器240的输出端。以源极随耦器240的本质来说，源极随耦器240为一低阻抗电路节点。因此，来自电压式偏压电路210的输出电路(即，晶体管241)之噪声成分因源极随耦器240的低阻抗本质而减缓。虽然亦有来自参考电流IREF与电流对电压转换器220之噪声成分，但只要低通滤波器230的转角频率大致上低于关注之闪变噪声的频率，此些噪声成分能有效地被低通滤波器230滤除。因此，偏压电压VBIAS是非常干净的，其致使振荡核心电路250维持具有低相位噪声之振荡。
相对地，图1中之已知的可控式振荡器100使用电流式偏压方案，此时偏压电压VBIAS是使用电流镜110建立，而来自电流式偏压电路的输出电路(即，电流镜110中之PMOS晶体管112)之噪声直接变成偏压电流IBIAS的一部分并且因电流镜110的高阻抗本质而无法被减缓。因此，图2中之可控式振荡器200优于图1中之可控式振荡器100。
在另一实施例(附图未示)中，图2中的二极管连接式晶体管222被移除，而二极管连接式晶体管221的第二端直接耦接至地端。以NMOS晶体管来说，二极管连接式晶体管221的第二端即为源极端。即便二极管连接式晶体管222被移除，修饰后的电流对电压转换器220仍保留有电流对电压转换的本质。
在又一实施例中，参照图2，可控式振荡器200可包括一噪声耦合电路280，并且此噪声耦合电路280包括一电容281。电容281用以分流至地端，并且耦接至偏压电压VBIAS，藉以进一步减少源极随耦器240的输出阻抗，因而使偏压电压VBIAS更干净。
当搭配采用低通滤波器(即使用低通滤波器230)之可控式振荡器200的电压式偏压方案允许有效地抑制来自电压式偏压电路210的噪声成分时，来自振荡核心电路250的再生电路270内之晶体管271、272的噪声成分并未有效地抑制。因此，图3中之替代之振荡核心电路300能适用以取代图2中之振荡核心电路250。
参照图3，振荡核心电路300接收偏压电压VBIAS，并且根据控制电压VC的控制来维持振荡核心电路300的振荡。振荡核心电路300包括一共振器360以及一电阻电容退化(RC degenerated)再生电路390，并且电阻电容退化再生电路390包括一再生电路370以及一电阻电容退化(RCdegenerating)电路380。共振器360包括二电感361、362以及受控于控制电压VC的一可变电容363，并且二电感361、362串接在可变电容363的二端之间。再生电路370包括一对交叉耦合式晶体管371、372，并且此对交叉耦合式晶体管371、372耦接至共振器360。电阻电容退化电路380包括二电阻381、382以及一电容383。电阻381、382分别耦接至晶体管371、372的第二端(即，源极端)，而电容383耦接在晶体管371、372的源极端之间。晶体管371的第一端耦接至可变电容363的一端以及晶体管372的控制端，而晶体管372的第一端耦接至可变电容363的另一端以及晶体管371的控制端。共振器360用以建立一振荡频率。再生电路370用以维持振荡核心电路300的振荡。而电阻电容退化电路380则用以提供再生电路370的退化(degeneration)。因为通过电阻电容退化电路380所提供之源极退化，而能有效地抑制来自再生电路370的噪声成分。其中，晶体管371、372可为NMOS晶体管。
在再一实施例中，图4中之替代之电流对电压转换器400能用以取代图2中之电流对电压转换器220，特别在以图3中之振荡核心电路300取代图2中之可控式振荡器200的振荡核心电路250的时候。参照图4，电流对电压转换器400包括二个二极管连接式晶体管421、422以及一源极退化电阻423，并且此二极管连接式晶体管421、422架构成迭接拓朴(cascode topology)。源极退化电阻423耦接在晶体管422的第二端与地端之间。于此，电流对电压转换器400转换参考电流IREF为参考电压VREF。因利用源极退化电阻423，参考电压VREF被调高，致使偏压电压VBIAS亦被调高，以致使产生图3中之振荡核心电路300的电阻电容退化电路380(若有应用)所具备的余量(headroom)。其中，晶体管421、422可为NMOS晶体管。以NMOS晶体管来说，晶体管422的第二端即为源极端。
在一实施例中，可变电容(即，图2中之可变电容263以及图3中之可变电容363)包括一变容器(varactor)，并且其电容值受控于控制电压VC。于此，变容器为本领域所熟知，故不再赘述。在一实施例中，可变电容(即，图2中之可变电容263以及图3中之可变电容363)可包括变容器(varactor)与固定电容的组合。于此，变容器的电容值受控于控制电压VC，而固定电容的电容值则无关于控制电压VC。
在一替代实施例(附图未示)中，取代控制电压VC，可变电容(即，图2中之可变电容263以及图3中之可变电容363)受控于一数字码；在此，可控式振荡器200则变体为数字控制振荡器(digitally controlledoscillator；DCO)。受控于数字码的可变电容能通过并联之多个变容器而实现；于此，各变容器基于数字码中各自所对应之位的值耦接至第一电压或第二电压。
在又一替代实施例(附图未示)中，可变电容(即，图2中之可变电容263以及图3中之可变电容363)受控于控制电压与数字码的组合；于此，数字码用于提供振荡频率的粗调(coarse tune)，而控制电压则用于提供振荡频率的微调(fine tune)。
在一实施例中，电感(即，图2中之电感261、262以及图3中之电感361、362)之电感值的范围为从50pH至5nH，并且可变电容(即，图2中之可变电容263以及图3中之可变电容363)之电容值的范围为从50fF至50pF。
在一实施例中，图3中之电容383之电容值的范围为从10fF至10pF，并且图3中之电阻381、3823之电阻值的范围为从10Ω至10KΩ。
在一实施例中，图2中之低通滤波器230之3dB转角频率的范围为从1KHz至1MHz。
参照图5，根据本发明一实施例之可控式振荡方法包括接收一参考电流(步骤501)、转换参考电流为一参考电压(步骤502)、过滤参考电压为一过滤后参考电压(步骤503)、利用一源极随耦器根据过滤后参考电压建立一偏压电压(步骤504)、提供偏压电压给具有一共振器与一再生电路的一振荡核心电路(步骤505)、通过控制共振器的一可变电容值建立一振荡频率(步骤506)、通过使用再生电路维持振荡核心电路的振荡(步骤507)、以及利用耦接至再生电路之电阻电容退化(RCdegenerating)电路抑制再生电路的噪声(步骤508)。
虽然本发明以前述之实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，本领域的技术人员，在不脱离本发明之精神和范围内，当可作些许之更动与润饰，因此本发明之专利保护范围须视本说明书的权利要求书所界定者为准。
符号说明
100 可控式振荡器
110 电流镜
111 晶体管
112   晶体管
120   共振器
121   电感
122   电感
123   可变电容
130   再生电路
131   晶体管
132   晶体管
140   振荡核心电路
IREF  参考电流
IBIAS 偏压电流
VC    控制电压
VDD   供电电路节点
200   可控式振荡器
210   电压式偏压电路
220   电流对电压转换器
221   晶体管
222 晶体管
230 低通滤波器
231 电阻
232 电容
240 源极随耦器
241 晶体管
250 振荡核心电路
260 共振器
261 电感
262 电感
263 可变电容
270 再生电路
271 晶体管
272 晶体管
280 噪声耦合电路
281 电容
300 振荡核心电路
360 共振器
361 电感
362 电感
363 可变电容
370 再生电路
371 晶体管
372 晶体管
380 电阻电容退化电路
381 电阻
382 电阻
383 电容
390 电阻电容退化再生电路
400 电流对电压转换器
421 晶体管
422 晶体管
423 源极退化电阻
VDD 供电端
IREF  参考电流
VBIAS 偏压电压
VC    控制电压
VREF  参考电压
V'REF 过滤后参考电压
501   接收一参考电流
502   转换参考电流为一参考电压
503   过滤参考电压为一过滤后参考电压
504   利用一源极随耦器根据过滤后参考电压建立一偏压电压
505   提供偏压电压给具有共振器与再生电路的振荡核心电路
506   通过控制共振器的一可变电容值建立一振荡频率
507   通过使用再生电路维持振荡核心电路的振荡
508   利用耦接至再生电路之电阻电容退化电路抑制再生电路的噪声

Claims (18)

1.一种可控式振荡器，包括：
一电压式偏压电路，用以接收一参考电流并且输出一偏压电压；以及
一振荡核心电路，用以接收该偏压电压并且维持一振荡；
其中，该电压式偏压电路包括：
一电流对电压转换器，用以将该参考电流转换成一参考电压；
一低通滤波器，用以接收该参考电压并且输出一过滤后参考电压；以及
一源极随耦器，用以接收该过滤后参考电压并且输出该偏压电压；以及
其中该振荡核心电路包括：
一共振器，用以接收该偏压电压并且建立一振荡频率；以及
一再生电路，耦接至该共振器，以维持该振荡。
2.根据权利要求1所述的可控式振荡器，其中该电流对电压转换器包括至少一二极管连接式晶体管。
3.根据权利要求1所述的可控式振荡器，其中该电流对电压转换器包括架构成迭接拓朴的至少一二极管连接式晶体管。
4.根据权利要求1所述的可控式振荡器，其中该电流对电压转换器包括串接之至少一二极管连接式晶体管与一源极退化电阻。
5.根据权利要求1所述的可控式振荡器，还包括：一噪声耦合电路，其中该噪声耦合电路包括一电容，且该电容分流至地端并耦接至该偏压电压。
6.根据权利要求1所述的可控式振荡器，其中该共振器包括一可变电容。
7.根据权利要求6所述的可控式振荡器，其中该可变电容是受控于一数字码、一控制电压或其组合。
8.根据权利要求6所述的可控式振荡器，其中该可变电容包括一变容器。
9.根据权利要求1所述的可控式振荡器，其中该再生电路包括一对交叉耦合式晶体管。
10.根据权利要求9所述的可控式振荡器，其中该振荡核心电路还包括一电阻电容退化电路，该电阻电容退化电路耦接至该对交叉耦合式晶体管的源极端。
11.一种可控式振荡方法，包括：
接收一参考电流；
转换该参考电流为一参考电压；
过滤该参考电压为一过滤后参考电压；
利用一源极随耦器根据该过滤后参考电压建立一偏压电压；
提供该偏压电压给具有一共振器与一再生电路的一振荡核心电路；
通过控制该共振器的一可变电容值建立一振荡频率；以及
通过使用该再生电路维持该振荡核心电路的振荡。
12.根据权利要求11所述的可控式振荡方法，其中该转换步骤是利用至少一二极管连接式晶体管执行。
13.根据权利要求11所述的可控式振荡方法，其中该转换步骤是利用串接之至少一二极管连接式晶体管与一源极退化电阻执行。
14.根据权利要求11所述的可控式振荡方法，其中该转换步骤是利用架构成迭接拓朴的至少一二极管连接式晶体管执行。
15.根据权利要求11所述的可控式振荡方法，其中该建立步骤包括耦接该偏压电压至具有分流至地端之一电容的一噪声耦合电路。
16.根据权利要求11所述的可控式振荡方法，其中该可变电容值受控于一控制电压、一数字码或其组合。
17.根据权利要求11所述的可控式振荡方法，其中该维持步骤包括通过使用具有一对交叉耦合式晶体管之该再生电路维持该振荡核心电路的该振荡。
18.根据权利要求17所述的可控式振荡方法，还包括利用耦接至该对交叉耦合式晶体管的源极端之一电阻电容退化电路抑制该再生电路的噪声。
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