CN107395126A - 弦波信号产生电路和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种弦波信号产生电路。弦波信号产生电路包括延迟单元。延迟单元中包括方波信号输入电路、自振信号输入电路、调节电路以及弦波信号输出电路。方波信号输入电路接收输入方波信号。自振信号输入电路接收输入弦波信号。调节电路调整输入弦波信号的振荡频率。弦波信号输出电路耦接方波信号输入电路以及自振信号输入电路，且根据输入方波信号以及输入弦波信号产生输出弦波信号。

Description

弦波信号产生电路和方法

技术领域

本发明主要有关于一弦波信号产生技术，特别有关于藉由一本地振荡器将方波转为弦波的弦波信号产生技术。

背景技术

传统的波形成器(wave shaper)，通常会使用带通滤波器(BPS)或调节缓冲器(buffer)上升或下降，来对输入的方波进行整型，以产生近似弦波的输出信号。然而，传统的波形成器受制程、电压、温度(Process,Voltage,Temperature，PVT)的影响很大，且当电路需要支持多个频率时，需要配置复杂的切换电路。

发明内容

有鉴于所述背景技术的问题，本发明提供了藉由一本地振荡器来实现方波转为弦波的弦波信号产生电路和方法。

根据本发明的一实施例提供了一种弦波信号产生电路。所述弦波信号产生电路包括多个延迟单元(delay cell)。每一所述延迟单元中包括方波信号输入电路、自振信号输入电路、调节电路以及弦波信号输出电路。方波信号输入电路接收输入方波信号。自振信号输入电路接收输入弦波信号。调节电路调整所述输入弦波信号的振荡频率。弦波信号输出电路耦接所述方波信号输入电路以及自振信号输入电路，且根据所述输入方波信号以及所述输入弦波信号产生输出弦波信号。

在一些实施例中，输出弦波信号已经过反相器处理。在一些实施例中，延迟单元的所述输出弦波信号反馈给另一所述延迟单元作为该另一所述延迟单元所述输入弦波信号。

在一些实施例中，调节电路藉由调节电流负载，来调整输入弦波信号的振荡频率。在一些实施例中，调节电路根据输入方波信号的频率，调整输入弦波信号的振荡频率。调节电路调整所述输入弦波信号的振荡频率，以使得在输入方波信号的一频率范围内，输入弦波信号的振荡频率都可跟上输入方波信号的频率，其中频率范围的两端点是根据输入方波信号的频率决定。

根据本发明的一实施例提供了一种弦波信号产生方法。弦波信号产生方法的步骤包括，根据要输入的多个输入方波信号的频率调整多个输入弦波信号的振荡频率，以产生所述多个输入弦波信号；输入所述多个输入方波信号；以及根据所述输入方波信号以及所述输入弦波信号产生多个输出弦波信号。

关于本发明其他附加的特征与优点，此领域的熟习技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可根据本案实施方法中所公开的装置和方法，做些许的更动与润饰而得到。

附图说明

图1是显示根据本发明的一实施例所述的弦波信号产生电路100的方块图。

图2是显示根据本发明的一实施例所述的弦波信号产生电路100的第一延迟单元110的电路图。

图3是显示根据本发明的一实施例所述的包含开关电路的延迟单元300的电路图。

图4是显示根据本发明一实施例所述的弦波信号产生方法400的流程图。

具体实施方式

本章节所叙述的是实施本发明的最佳方式，目的在于说明本发明的精神而非用以限定本发明的保护范围，本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定者为准。

图1是显示根据本发明的一实施例所述的弦波信号产生电路100的方块图。弦波信号产生电路100可为本地振荡器(Local Oscillator，LO)或差分振荡器。弦波信号产生电路100由多个延迟单元(delay cell)所组成的自振环路。如图1所示，弦波信号产生电路100中可包括了第一延迟单元(delay cell)110以及第二延迟单元120。注意地是，在图1中的方块图，仅是为了方便说明本发明的实施例，但本发明并不以此为限。在图1的弦波信号产生电路100仅包含两级延迟单元，在其他实施例中，弦波信号产生电路100亦可根据不同应用包含不同数量的延迟单元。举例来说，若是要实现45°的相位间隔，可使用4级的延迟单元来构成弦波信号产生电路100。若是要实现60°的相位间隔，可使用3级的延迟单元来构成弦波信号产生电路100。

根据本发明的实施例，方波信号CKI0和CKI2会分别从第一延迟单元110的输入端Ijp1和Ijn1输入，且方波信号CKI1和CKI3会分别从第二延迟单元120的输入端Ijp2和Ijn2输入。方波信号CKI0和CKI2是差分信号对，且方波信号CKI1和CKI3亦为差分信号对。

根据本发明的实施例，第一延迟单元110会根据方波信号CKI0和CKI2以及从第二延迟单元120所接收的正弦波信号CKO0和CKO2，从第一延迟单元110的弦波信号输出端YP1和YN1输出正弦波信号CKO1和CKO3。根据本发明的实施例，第一延迟单元110的弦波信号输出端YP1和YN1所输出的正弦波信号CKO1和CKO3，已经过反相处理。此外，输出的正弦波信号CKO1和CKO3会作为下一级的延迟单元(第二延迟单元120)的自振信号输入端IP2和IN2的输入信号。

根据本发明的实施例，第二延迟单元120会根据方波信号CKI1和CKI3以及从第一延迟单元110所接收的正弦波信号CKO1和CKO3，从第二延迟单元120的弦波信号输出端YP2和YN2输出正弦波信号CKO2和CKO0。根据本发明的实施例，第二延迟单元120的弦波信号输出端YP2和YN2所输出的正弦波信号CKO2和CKO0，已经过反相处理。第二延迟单元120的弦波信号输出端YP2和YN2所输出的正弦波信号CKO2和CKO0会再分别反馈给第一延迟单元110的自振信号输入端IN1和IP1，以作为第一延迟单元110自振信号输入端IN1和IP1的输入信号。根据本发明的实施例，每级延迟单元所输出的正弦波信号(CKO0、CKO1、CKO2、CKO3)的频率都会跟随方波信号(CKI0、CKI1、CKI2、CKI3)的频率。

根据本发明的实施例，弦波信号产生电路100还包括调节电路。调节电路可用以调节信号产生电路100的自振信号(即自振信号输入端的输入信号CKO0、CKO1、CKO2、CKO3)的频率，以使得输出的弦波信号CKO0、CKO1、CKO2、CKO3的输出频率在一定频率范围内可跟住输入信号(即输入的方波信号CKI0、CKI1、CKI2、CKI3)的频率(牵引频率)的变化。下面将会以图2的调节电路240做说明。

图2是显示根据本发明的一实施例所述的弦波信号产生电路100的延迟单元的电路图。图2所示的电路图适用第一延迟单元110和第二延迟单元120，图2中以第一延迟单元110来做说明。如图2所示，第一延迟单元110可包含方波信号输入电路210、自振信号输入电路220、弦波信号输出电路230以及调节电路240。此外，在图2所示的VCCA表示电源电压，VSSA系表示接地电压。图2中的电路图，仅是实现延迟单元的一实施例，本发明并不以此为限。

如图2所示，方波信号输入电路210包括第一晶体管M1以及第二晶体管M2。第一延迟单元110的输入端Ijp1和Ijn1分别为第一晶体管M1和第二晶体管M2的栅极。第一晶体管M1和第二晶体管M2的源极耦接至调节电路240的可调电流源I2。

如图2所示，自振信号输入电路220包括第三晶体管M3以及第四晶体管M4。第一延迟单元110的自振信号输入端IP1和IN1分别为第三晶体管M3和第四晶体管M4的栅极。第三晶体管M3和第四晶体管M4的源极耦接至调节电路240的可调电流源I0。

如图2所示，弦波信号输出电路230包括第五晶体管以及第六晶体管。第五晶体管和第六晶体管组成反相器电路。该弦波信号输出电路230根据从自振信号输入端IP1和IN1输入的方波信号CKI0和CKI2以及从第二延迟单元120所接收的正弦波信号CKO0和CKO2，从弦波信号输出端YP1和YN1输出正弦波信号CKO1和CKO3。

如图2所示，调节电路240可包含第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3以及第四电容C4、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3以及第四电阻R4，以及包含可调电流源I0和I2。调节电路240可调节自振信号(即自振信号输入端IP1和IN1的输入信号CKO0和CKO2)的频率，以使得输出的弦波信号CKO1和CKO3的输出频率在一定频率范围内可跟住输入信号(即输入的方波信号CKI0和CKI2)的频率(牵引频率)的变化。下面将以数学式来做说明。

根据以下公式：

在晶体管的长宽比已确定下，延迟单元的增益A_V与成正比，其中I为延迟单元的偏置电流，以及R_o为输出节点的电阻。因此，为了在调节输入弦波信号的振荡频率时，保持近似的增益(即满足 )，且根据目标频率ω正比于输出节点电阻1/R的关系，可推得以下关系式：

因此，从上述关系式可得知，当自振信号的频率，即目标频率改变时，可藉由调整负载电阻和电流将第一延迟单元110的增益维持在一个近似的增益值。根据本发明一实施例，通过调节电路240中的负载电阻，即调节第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3以及第四电阻R4，和/或通过调整可调电流源I0和I2来调整电流，以改变自振信号，即自振信号输入端的输入信号的频率。

根据本发明一实施例，调节电路240会根据输入方波信号的频率，调整输入弦波信号CKO0和CKO2的振荡频率，以使得当输入方波信号在一频率范围变化时，输入弦波信号CKO0和CKO2都可跟住输入方波信号频率的变化，其中频率范围的两端点的根据输入方波信号的频率来决定，且输入方波信号在一频率范围变化可为一线性变化。举例来说，当输入方波信号的频率为f0，调节电路240会将自振信号的频率调整到近似f0，以使得当输入方波信号的频率在[f0-Δf f0+Δf]的区间变化时，输出的弦波信号的输出频率可跟住输入方波信号的频率的变化。在此实施例中，调节电路240可藉由调整可调电流源I0和I2的比值来调整Δf的大小。举例来说，当提高I2的比例，会增大牵引频率(输入方波信号的频率)的范围。

根据本发明另一实施例，还可以通过开关切换每一延迟单元对应不同频率的输出电阻或偏置电流，来进行不同频率的间的切换，使得本发明提出的弦波信号产生电路能够输出各种频率的弦波。

图3是显示根据本发明的一实施例所述的包含开关电路的延迟单元300的电路图。图3所示的电路图适用第一延迟单元110和第二延迟单元120。如图3所示，延迟单元300可包含方波信号输入电路310、自振信号输入电路320、弦波信号输出电路330、电流源开关341～344、电流源开关351～354以及电阻开关361～364。方波信号输入电路310、自振信号输入电路320和弦波信号输出电路330的架构同方波信号输入电路210、自振信号输入电路220、弦波信号输出电路230，在此就不再赘述。

如图3所示，图3显示了可进行4个频率切换的延迟单元。电流调节信号EN(EN0～EN3)是电阻调节信号ENB(ENB0～ENB3)的反相信号。电流调节信号EN0～EN3分别用以控制电流源开关341～344，以及分别用以控制电流源开关351～354。当EN＝1时，电流调节信号EN控制的电流源开关闭合，且当EN＝0时，电流调节信号EN控制的电流源开关断开。电阻调节信号ENB0～ENB3分别用以控制电阻开关361～364。当ENB＝0时，电阻调节信号ENB控制的电阻开关闭合，且当ENB＝1时，电阻调节信号ENB控制的电阻开关断开。因此，延迟单元可根据电流调节信号EN0～EN3和电阻调节信号ENB0～ENB3，来进行不同频率的切换。

如图3所示，当要实现关系为w1:w2:w3:w4＝3:5:6:8的4种频率的间的切换时，可藉由电流调节信号EN0～EN3和电阻调节信号ENB0～ENB3，来进行不同频率的切换。在此实施例中，电流源开关341～344为尺寸具有比例关系的NMOS管，该比例关系的设定取决于频率w1:w2:w3:w4的值，在该实施例中，w1:w2:w3:w4＝3:5:6:8，所以可以选择电流源开关341～344的尺寸比例为3：2：1：2。输出偏置电压VBN1和VBN2至电流源开关341～344的栅极，使电流源开关341～344工作在饱和区，从而使电流源开关341～344可以输出电流，对应地，电流源开关341～344可以输出的电流比例为3：2：1：2(例如：3*I3:2*I3:I3:2*I3)，在电流调节信号EN0～EN3的作用下决定是否输出电流。同理，电流源开关351～354可以输出的电流比例为3：2：1：2(例如：3*I4:2*I4:I4:2*I4)，也在电流调节信号EN0～EN3的作用下决定是否输出电流。上述电流源开关341～344可以输出的电流与电流源开关351～354可以输出的电流虽比例相同，但对应的电流大小可以不同。于此同时，EN0～EN3的反相信号ENB0～ENB3作用于为PMOS管的电阻开关361～364，以控制对应的尺寸比例关系为1/3：1/2：1：1/2(例如：R/3：R/2：R：R/2)的电阻接入与否。当要切换至频率w1时，使信号EN0＝1，ENB0＝0，EN1＝EN2＝EN3＝0，ENB1＝ENB2＝ENB3＝1。当要切换至频率w2时，使信号EN0＝EN1＝1，ENB0＝ENB1＝0，EN2＝EN3＝0，ENB2＝ENB3＝1。当要切换至频率w3时，使信号EN0＝EN1＝EN2＝1，ENB0＝ENB1＝ENB2＝0，EN3＝ENB3＝1。当要切换至频率w4时，使信号EN0＝EN1＝EN2＝EN3＝1，ENB0＝ENB1＝ENB2＝ENB3＝0。通过开关切换每一延迟单元对应不同频率的输出电阻或偏置电流，来进行不同频率之间的切换，使得本发明提出的弦波信号产生电路能够输出w1:w2:w3:w4＝3:5:6:8的4种频率，并可以根据需求在该4种频率间切换。当然，图3中的电路图，仅是实现开关电路的一实施例，本发明所述的弦波信号产生电路也可以输出其他比例关系的多种频率信号，并根据需求在所述具有其他比例关系的多种频率间切换。此外，图3所示的VCCA表示电源电压，VSSA表示接地电压。

图4是显示根据本发明一实施例所述的弦波信号产生方法400的流程图。该流程图所示的弦波信号产生方法适用包含多个延迟单元的弦波信号产生电路100。在步骤S410，藉由弦波信号产生电路100根据要输入的方波信号的频率调整上述输入弦波信号的振荡频率，以产生多个输入弦波信号(自振信号)。在步骤S420，输入多个输入方波信号至弦波信号产生电路100。在步骤S430，根据输入方波信号以及输入弦波信号产生多个输出弦波信号。

根据本发明一实施例，弦波信号产生方法还包括，藉由弦波信号产生电路100，根据输入方波信号的频率，调整输入弦波信号的振荡频率。根据本发明一实施例，弦波信号产生方法还包括藉由弦波信号产生电路100的调节电路调节电流负载，来调整上述输入弦波信号的振荡频率。根据本发明一实施例，弦波信号产生方法还包括，藉由弦波信号产生电路100调整输入弦波信号的振荡频率，以使得在输入方波信号的一频率范围内，输入弦波信号的振荡频率都可跟上输入方波信号的频率，其中频率范围的两端点是根据输入方波信号的频率决定。

根据本发明所提出的弦波信号产生方法，可藉由一本地振荡器来实现将方波转换为弦波。利用输入的方波的频率来牵引本地振荡器的自振频率，将可有效抵抗制程、电压、温度(Process,Voltage,Temperature，PVT)的变化，以及改善频率相位的非线性。此外，根据本发明所提出的弦波信号产生方法，可藉由本地振荡器调节负载和电流等参数，轻易达成频率的切换。此外，根据本发明所提出的弦波信号产生方法，可应用在应用于频率数据恢复(clock data recovery，CDR)的相位内插(phase interpolator，PI)电路，以使相位内插电路达到更好的线性度。

本说明书中所提到的“一实施例”或“实施例”，表示与实施例有关的所述特定的特征、结构、或特性是包含根据本发明的至少一实施例中，但并不表示它们存在于每一个实施例中。因此，在本说明书中不同地方出现的“在一实施例中”或“在实施例中”词组并不必然表示本发明的相同实施例。

以上段落使用多种层面描述。显然的，本文的教示可以多种方式实现，而在范例中公开的任何特定架构或功能仅为一代表性的状况。根据本文的教示，任何熟知此技术的人员应理解在本文公开的各层面可独立实作或两种以上的层面可以合并实作。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定者为准。

Claims (12)

1.一种弦波信号产生电路：包括：

延迟单元，其中所述延迟单元包括：

方波信号输入电路，接收输入方波信号；

自振信号输入电路，接收输入弦波信号；

调节电路，调整所述输入弦波信号的振荡频率；以及

弦波信号输出电路，耦接所述方波信号输入电路以及所述自振信号输入电路，根据所述输入方波信号以及所述输入弦波信号产生输出弦波信号。

2.如权利要求1所述的弦波信号产生电路，还包括反相器，所述输出弦波信号已经过所述反相器处理。

3.如权利要求1所述的弦波信号产生电路，其中所述延迟单元的所述输出弦波信号反馈给另一所述延迟单元作为该另一所述延迟单元的所述输入弦波信号。

4.如权利要求1所述的弦波信号产生电路，其中所述调节电路根据所述输入方波信号的频率，调整所述输入弦波信号的振荡频率，以及藉由调节负载电阻或电流，来调整所述输入弦波信号的振荡频率。

5.如权利要求4所述的弦波信号产生电路，其中所述调节电路调整所述输入弦波信号的振荡频率，以使得在所述输入方波信号的频率范围内，所述输入弦波信号的振荡频率都可跟上所述输入方波信号的频率，其中所述频率范围的两端点是根据所述输入方波信号的频率决定。

6.如权利要求1所述的弦波信号产生电路，其中所述延迟单元还包括：

开关电路，根据对应的电流调节信号和电阻调节信号断开或闭合，以切换不同频率。

7.一种弦波信号产生方法，适用于包含延迟单元的一弦波信号产生电路，包括：

根据输入方波信号的频率调整输入弦波信号的振荡频率，以产生所述输入弦波信号；

输入所述输入方波信号；以及

根据所述输入方波信号以及所述输入弦波信号产生输出弦波信号。

8.如权利要求7所述的弦波信号产生方法，其中所述输出弦波信号已经过反相处理。

9.如权利要求7所述的弦波信号产生方法，还包括：

反馈所述延迟单元的所述输出弦波信号给另一所述延迟单元作为该另一所述多个延迟单元的所述输入弦波信号。

10.如权利要求7所述的弦波信号产生方法，还包括：

根据所述输入方波信号的频率，调整所述输入弦波信号的振荡频率；以及

藉由调节负载电阻或电流，来调整所述输入弦波信号的振荡频率。

11.如权利要求10所述的弦波信号产生电路，还包括：

调整所述输入弦波信号的振荡频率，以使得在所述输入方波信号的频率范围内，所述输入弦波信号的振荡频率都可跟上所述输入方波信号的频率，其中所述频率范围的两端点是根据所述输入方波信号的频率决定。

12.如权利要求7所述的弦波信号产生方法，还包括：

根据对应所述延迟单元的开关电路的电流调节信号和电阻调节信号断开或闭合所述开关电路，以切换不同频率。