CN108021173B - 具温度补偿功能的震荡器电路 - Google Patents

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Abstract

不同于现有的震荡器电路，本发明主要以一增益单元、一电流镜单元、一箝制电流提供单元、一噪声抑制单元、一补偿单元、以及一参考电源产生电路构成最基本的一个具温度补偿功能的震荡器电路。在参考电源产生电路以及补偿单元的运作下，即使环境温度(或电路操作温度)不断改变，本发明的具温度补偿功能的震荡器电路的输出信号的震荡频率能够几乎维持在同一水平，不会因为温度变异而产生明显的频率飘移。本发明的具温度补偿功能的震荡器电路不会因为温度变异而产生明显的频率飘移，是以能够取代现有的震荡器电路而被应用于模拟‑数字转换器或时间‑数字转换器之中，以提升转换器的运作精密度。

Description

具温度补偿功能的震荡器电路
技术领域
本发明关于电子电路的技术领域，尤指一种具温度补偿功能的震荡器电路。
背景技术
有鉴于感测器所收集或测得的物理资讯通常为模拟信号，模拟信号处理电路于是被开发并用于将这些模拟信号转换成容易处理及储存的数字信号。请参阅图1，是显示现有的一种模拟信号处理电路的方块图。如图1所示，现有的模拟信号处理电路1’于电路构成上包括：至少一感测单元11’、一前处理单元12’、与一模拟-数字转换单元13’。该前处理单元12’通常由一放大器与一滤波器组成，用以对该感测单元11’所输出的模拟信号进行前处理；并且，完成前处理的模拟信号便被输出至该模拟-数字转换单元13’，进以转换为数字信号。最终，后端的微处理器2’便可以对该数字信号进行运算或转换程序，进而将数值化的方式将该物理资讯显示于显示器3’之上。当然，在特定的应用中，微处理器2’也可以不需要将数值化的物理资讯显示于显示器3’之上。
如长期涉及模拟信号处理电路的开发与制造的电子工程师所熟知的，模拟-数字转换单元13’通常包含:取样保持电路、量化器、以及编码器；其中，驱动取样保持电路基于系统时脉而以一取样率对模拟信号进行取样。值得说明的是，压控震荡器为时脉产生电路的主要基础元件，用以根据一控制电压而产生具有一特定频率的一震荡信号。必须意识到的是，压控震荡器为一种半导体电子元件，凡是由半导体材料制成的电子元件必定受到制程误差的影响而于电气特性上造成变异或飘移。另一方面，半导体电子元件也必定会受到环境温度的影响而产生电气特性飘移，例如：频率飘移。
然而，对于模拟-数字转换器与时间-数字转换器等电子元件，温度变异所造成的频率飘移(frequency drift due to temperature variation)会严重影响转换器所能提供的精密度。经由上述，可以得知的是，如何设计出不受环境温度影响的震荡器已成为一个非常重要的主题。基于这个理由，本案的发明人极力地研究与开发，而终于研发完成本发明的一种具温度补偿功能的震荡器电路。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种具温度补偿功能的震荡器电路。不同于现有的震荡器电路，本发明主要以一增益单元、一电流镜单元、一箝制电流提供单元、一噪声抑制单元、一补偿单元、以及一参考电源产生电路构成最基本的一个具温度补偿功能的震荡器电路。在参考电源产生电路以及补偿单元的运作下，即使环境温度(或电路操作温度)不断改变，本发明的具温度补偿功能的震荡器电路的输出信号的震荡频率能够几乎维持在同一水平，不会因为温度变异而产生明显的频率飘移。本发明的具温度补偿功能的震荡器电路不会因为温度变异而产生明显的频率飘移，是以能够取代现有的震荡器电路而被应用于模拟-数字转换器或时间-数字转换器之中，以提升转换器的运作精密度。
为了达成上述本发明的主要目的，本案的发明人首先提供所述具温度补偿功能的震荡器电路的一实施例，包括：
一增益单元(Gain stage)；
一电流镜单元，电性连接至该增益单元，用以提供至少一偏压电流至该增益单元；
一箝制电流提供单元，电性连接至该电流镜单元与该增益单元，用以提供一箝制电流至该增益单元；
一噪声抑制单元，电性连接至该增益单元的输出端，并同时电性连接至该电流镜单元；其中，该噪声抑制单元根据该增益单元的一输出信号而产生并提供一第1参考电流源至该电流镜单元，并且，当该增益单元的该输出信号的电压值超过一临界电压值之时，该噪声抑制单元即停止提供该第1参考电流源；
一补偿单元，电性连接至该电流镜单元；以及
一参考电源产生电路，根据该增益单元的一温度系数以及一环境温度而产生一参考信号至该补偿单元，使得该补偿单元根据该参考信号而产生并提供一第2参考电流源至该电流镜单元，进以调整该箝制电流的大小，藉此方式调整该增益单元的该输出信号的频率。
于本发明的具温度补偿功能的震荡器电路的一实施例之中，该增益单元可为一压控式震荡器(voltage-controlled oscillator,VCO)。
于本发明的具温度补偿功能的震荡器电路的一实施例之中，其中，该补偿单元包括一第7晶体管，且该第7晶体管的源极通过一源极电阻而耦接至负供应电源；并且，该第7晶体管的栅极耦接该参考电源产生电路。
附图说明
图1是显示现有的一种模拟信号处理电路的方块图；
图2是显示本发明的一种具温度补偿功能的震荡器电路的电路方块图；
图3是显示具温度补偿功能的震荡器电路的电路架构图；
图4是显示一种不具温度补偿功能的震荡器电路的电路图；
图5是显示温度-频率的数据曲线图。
<本发明>
1 具温度补偿功能的震荡器电路
11 增益单元
12 电流镜单元
13 箝制电流提供单元
14 噪声抑制单元
15 补偿单元
16 参考电源产生电路
17 输出缓冲单元
18 输出修整单元
M1 第1晶体管
M2 第2晶体管
M3 第3晶体管
VDD 正供应电源
M4 第4晶体管
Iclamp 箝制电流
M5 第5晶体管
M6 第6晶体管
VSS 负供应电源
M7 第7晶体管
R1 源极电阻
MTN 输出修整晶体管
MTN-1 输出修整晶体管
MT0 输出修整晶体管
SWN 启动开关
SWN-1 启动开关
SW0 启动开关
2 定电流源
<现有>
1’ 模拟信号处理电路
11’ 感测单元
12’ 前处理单元
13’ 模拟-数字转换单元
2’ 微处理器
3’ 显示器
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明所提出的一种具温度补偿功能的震荡器电路，以下将配合图式，详尽说明本发明的较佳实施例。
请参阅图2，是显示本发明的一种具温度补偿功能的震荡器电路的电路方块图。如图2所示，本发明的具温度补偿功能的震荡器电路1于电路单元的组成上包括有：一增益单元(Gain stage)11、一电流镜单元12、一箝制电流提供单元13、一噪声抑制单元14、一补偿单元15、一参考电源产生电路16、一输出缓冲单元17、以及输出修整单元(output trimmingunit)18；其中，该增益单元11可为一压控式震荡器(voltage-controlled oscillator,VCO)。
继续地参阅图2，并请同时参阅图3，是显示具温度补偿功能的震荡器电路的电路架构图。如图2所示，该电流镜单元12电性连接至该增益单元11，用以提供至少一偏压电流至该增益单元11。并且，如图3所示，该电流镜单元12由一第1晶体管M1、一第2晶体管M2与一第3晶体管M3所组成，其中该第1晶体管M1、该第2晶体管M2与该第3晶体管M3皆为P型金氧半场效晶体管(Metal-oxide field effect transistor,MOSFET)。值得说明的是，第1晶体管M1源极耦接至一正供应电源VDD，且其栅极与漏极相互耦接。此外，第2晶体管M2的源极耦接至该正供应电源VDD，且其栅极耦接至该第1晶体管M1的栅极。另一方面，第3晶体管M3的源极耦接至该正供应电源VDD，且其栅极耦接至该第1晶体管M1的栅极。
如图2所示，该箝制电流提供单元13电性连接至该电流镜单元12与该增益单元11；其中，该箝制电流提供单元13包括一第4晶体管M4；并且，该第4晶体管M4的源极、栅极与漏极分别耦接至该正供应电源VDD、该第1晶体管M1的栅极与该增益单元11。于本发明的电路设计中，箝制电流提供单元13规划用以提供一箝制电流Iclamp至该增益单元11。于此，必须特别解释的是，基于增益单元11为一电感电容槽压控式震荡器，工程师可以根据fosc∝I/(VxC)基本公式决定增益单元11的震荡频率；其中，V为增益单元11的相位切换电压，C则为增益单元11之中的等效电容，I为等效电容的充电电流，即为所述的箝制电流Iclamp(用以箝制住震荡频率)。因此，本发明的技术特征即在于利用调控箝制电流Iclamp的方式达到降低因温度变异所造成的频率飘移(frequency drift due to temperature variation)的目的。
进一步地，该噪声抑制单元14电性连接至该增益单元11的输出端，并同时电性连接至该电流镜单元12。如图2与图3所示，该噪声抑制单元14包括一第5晶体管M5与一第6晶体管M6；其中，第5晶体管M5的源极耦接至该第2晶体管M2的漏极，并同时电性连接至该增益单元11；并且，该第5晶体管M5的漏极耦接至一负供应电源VSS，且该第5晶体管M5的栅极耦接至该增益单元11的输出端。另一方面，第6晶体管M6的源极耦接至该第3晶体管M3的漏极，并同时电性连接至该增益单元11；并且，该第6晶体管M6的漏极耦接至该负供应电源VSS，且该第6晶体管M6的栅极耦接至该增益单元11的输出端。于本发明的电路设计中，该噪声抑制单元14根据该增益单元11的一输出信号而产生并提供一第1参考电流源至该电流镜单元12，并且，当该增益单元11的该输出信号的电压值超过一临界电压值之时，该噪声抑制单元14即停止提供该第1参考电流源。
特别地，本发明以一补偿单元15电性连接至该电流镜单元12，其中，该补偿单元15包括一第7晶体管M7与一源极电阻R1。如图2与图3所示，第7晶体管M7的源极通过该源极电阻R1而耦接至负供应电源VSS，且其栅极耦接该参考电源产生电路16；并且，该第7晶体管M7的漏极耦接至该第1晶体管M1的漏极。藉由这样的电路安排，所述参考电源产生电路16便能够根据该增益单元11的一温度系数以及一环境温度而产生一参考信号至该补偿单元15，使得该补偿单元15根据该参考信号而产生并提供一第2参考电流源至该电流镜单元12，进以调整该箝制电流Iclamp的大小，藉此方式调整该增益单元11的该输出信号的频率，达到有效降低温度变异(temperature variation)所造成的频率飘移的目的。
必须补充说明的是，前述第1晶体管M1、第2晶体管M2、该第3晶体管M3、第4晶体管M4、第5晶体管M5、与第6晶体管M6皆为P型金氧半场效晶体管(Metal-oxidefield effecttransistor,MOSFET)；并且，该第7晶体管M7为N型金氧半场效晶体管。此外，本发明更将一输出缓冲单元17设置于该增益单元11的输出端，用以对该输出信号提供一缓冲输出作用。
另一方面，基于压控震荡器配置于一模拟-数字转换器或一时间-数字转换器之中，故大部分的应用都需要可调整(tunable)的震荡器。一个理想的压控震荡器为一个输出频率为控制电压的线性函数的电路，且所述线性函数如以下公式所表示:ωout=ω0+KVCO*Vout。于该公式中，ω0代表对应于Vout=0的交点，且KVCO为电路增益或灵敏度。因此，由公式可以得知交点(ω0)以及Vout为决定控制压控震荡器的输出信号的震荡频率的主要调控因子。基于这个理由，本发明进一步地将一输出修整单元(output trimming unit)18电性连接至该箝制电流提供单元13，并使其同时电性连接至该增益单元11。如图2与图3所示，该输出修整单元18包括：相互并联的多个输出修整晶体管(MTN,MTN-1,…,MT0)以及多个启动开关(SWN,SWN-1,…,SW0)；其中，该多个输出修整晶体管(MTN,MTN-1,…,MT0)皆为P型金氧半场效晶体管(Metal-oxide field effect transistor,MOSFET)。
承上述，每个输出修整晶体管的栅极皆耦接至该第4晶体管M4的栅极，且每个输出修整晶体管的栅极皆耦接至该正供应电源VDD；并且，每个输出修整晶体管的漏极皆电性连接至该增益单元11。再者，每个启动开关皆连接于该修整晶体管的漏极与该增益单元11之间。如此设计，便可以利用外部的数字微控制器来控制该些启动开关(SWN,SWN-1,…,SW0)，进而控制该些输出修整晶体管(MTN,MTN-1,…,MT0)的开启与关闭，达到修整(trimming)增益单元11的输出信号的电压值的目的。另外，
如此，上述说明已完整、清楚地揭示本发明提出的具温度补偿功能的震荡器电路1的电路架构及其运作方式。接着，下文将藉由实验数据的呈现来证明本发明的具温度补偿功能的震荡器电路1的可实施性。请参阅图4，是显示一种不具温度补偿功能的震荡器电路的电路图。比较图4与3可以发现，图4的电路并不包括显示舆图3之中的参考电源产生电路16以及补偿单元15；取而代之地，图4的电路中包括了一定电流源2。继续地参阅图5，是显示温度-频率的数据曲线图。发明人可通过图5发现，随着环境温度(或电路操作温度)的提升，不具温度补偿功能的震荡器电路的输出信号的震荡频率亦随之增加；相反地，在参考电源产生电路16以及补偿单元15的运作下，本发明的具温度补偿功能的震荡器电路1的输出信号的震荡频率则几乎维持在同一水平。因此，图5所显示的温度-频率的数据曲线证实了本发明的具温度补偿功能的震荡器电路1的可实施性。
值得说明的是，在一般的震荡器电路中，所述噪声抑制单元14利用第5晶体管M5与第6晶体管M6达到一个正偏压电流调整(positive current adjusting)的功效。同时，发明人已经由图5的数据曲线图得知，现有的不具温度补偿的震荡器电路的输出信号的震荡频率随着环境温度的上升而增加。因此，基于fosc∝I/(VxC)基本公式，本发明特别以一第7晶体管M7与一源极电阻R1构成所述补偿单元15，以达到一个负偏压电流调整(negativecurrent adjusting)的功效。如长期涉及半导体元件以及基础电路设计的电子工程师所熟知的，一个MOS元件的漏极电流可由以下公式估算而得:ID=k(VGS-Vth 2)。于该公式中，k为MOS元件的制程物理参数，且VGS为MOS元件的栅极与源极的电压差。值得说明的是，Vth为MOS元件的临界电压(threshold voltage)，且该临界电压与环境温度(或元件操作温度)成反比。因此，利用MOS元件的这样的物理特性，该参考电源产生电路16便可以根据该增益单元11的温度系数以及环境温度输出一参考信号至第7晶体管M7；如此，只要适当地选择(或调控)源极电阻R1的电阻值与该参考电源产生电路16所输出的参考电压的大小，便可以适应性地控制第7晶体管M7输出第2参考电流源至该电流镜单元12，进以对该箝制电流Iclamp进行一负偏压电流调整(negative current adjusting)。
如此，上述已完整且清楚地说明本发明的具温度补偿功能的震荡器电路1，经由上述，发明人可以得知本发明具有下列的优点：
(1)不同于现有震荡器电路，本发明主要以一增益单元11、一电流镜单元12、一箝制电流提供单元13、一噪声抑制单元14、一补偿单元15、以及一参考电源产生电路16构成最基本的一个具温度补偿功能的震荡器电路1。在参考电源产生电路16以及补偿单元15的运作下，即使环境温度(或电路操作温度)不断改变，本发明的具温度补偿功能的震荡器电路的输出信号的震荡频率能够几乎维持在同一水平，不会因为温度变异而产生明显的频率飘移。
(2)承上述，由于本发明的具温度补偿功能的震荡器电路不会因为温度变异而产生明显的频率飘移，是以能够取代现有的震荡器电路而被应用于模拟-数字转换器或时间-数字转换器之中，以提升转换器的运作精密度。
必须加以强调的是，上述的详细说明针对本发明可行实施例的具体说明，惟该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明技艺精神所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (7)

1.一种具温度补偿功能的震荡器电路，其特征在于，包括:
一增益单元；
一电流镜单元，电性连接至该增益单元，用以提供至少一偏压电流至该增益单元；包括：
一第1晶体管，其源极耦接至一正供应电源，且其栅极与漏极相互耦接；
一第2晶体管，其源极耦接至该正供应电源，且其栅极耦接至该第1晶体管的栅极；及
一第3晶体管，其源极耦接至该正供应电源，且其栅极耦接至该第1晶体管的栅极；一箝制电流提供单元，电性连接至该电流镜单元与该增益单元，用以提供一箝制电流至该增益单元；包括：
一第4晶体管；并且，该第4晶体管的源极、栅极与漏极分别耦接至该正供应电源、该第1晶体管的栅极与该增益单元；
一噪声抑制单元，电性连接至该增益单元的输出端，并同时电性连接至该电流镜单元；其中，该噪声抑制单元根据该增益单元的一输出信号而产生并提供一第1参考电流源至该电流镜单元，并且，当该增益单元的该输出信号的电压值超过一临界电压值之时，该噪声抑制单元即停止提供该第1参考电流源；包括：
一第5晶体管，其源极耦接至该第2晶体管的漏极，并同时电性连接至该增益单元；并且，该第5晶体管的漏极耦接至一负供应电源，且该第5晶体管的栅极耦接至该增益单元的输出端；及
一第6晶体管，其源极耦接至该第3晶体管的漏极，并同时电性连接至该增益单元；并且，该第6晶体管的漏极耦接至该负供应电源，且该第6晶体管的栅极耦接至该增益单元的输出端；
一补偿单元，电性连接至该电流镜单元；以及
一参考电源产生电路，根据该增益单元的一温度系数以及一环境温度而产生一参考信号至该补偿单元，使得该补偿单元根据该参考信号而产生并提供一第2参考电流源至该电流镜单元，进以调整该箝制电流的大小，藉此方式调整该增益单元的该输出信号的频率。
2.根据权利要求1所述的具温度补偿功能的震荡器电路，其特征在于，更包括：一输出缓冲单元，设置于该增益单元的输出端，用以对该输出信号提供一缓冲输出作用。
3.根据权利要求1所述的具温度补偿功能的震荡器电路，其特征在于，该增益单元可为一压控式震荡器。
4.根据权利要求1所述的具温度补偿功能的震荡器电路，其特征在于，该补偿单元包括：
一第7晶体管，其源极通过一源极电阻而耦接至该负供应电源，且其栅极耦接该参考电源产生电路；并且，该第7晶体管的漏极耦接至该第1晶体管的漏极。
5.根据权利要求4所述的具温度补偿功能的震荡器电路，其特征在于，该第1晶体管、该第2晶体管、该第3晶体管、该第4晶体管、该第5晶体管、与该第6晶体管皆为P型金氧半场效晶体管；并且，该第7晶体管为N型金氧半场效晶体管。
6.根据权利要求4所述的具温度补偿功能的震荡器电路，其特征在于，更包括：一输出修整单元，电性连接至该箝制电流提供单元并同时电性连接至该增益单元；该输出修整单元包括：
相互并联的多个输出修整晶体管，其中，每个输出修整晶体管的栅极皆耦接至该第4晶体管的栅极，且每个输出修整晶体管的栅极皆耦接至该正供应电源；并且，每个输出修整晶体管的漏极皆电性连接至该增益单元；及
多个启动开关，其中，每个启动开关皆连接于该修整晶体管的漏极与该增益单元之间。
7.根据权利要求6所述的具温度补偿功能的震荡器电路，其特征在于，该多个输出修整晶体管皆为P型金氧半场效晶体管。
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Denomination of invention: Oscillator circuit with temperature compensation function

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