TW201301745A - 電壓控制之振盪電路及晶體振盪器 - Google Patents

電壓控制之振盪電路及晶體振盪器 Download PDF

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Abstract

一種電壓控制振盪電路，包含一差動放大電路，其連接至例如石英晶體元件之共振元件。該差動放大電路包含第一和第二輸入端子，其連接至該共振元件，且亦分別連接至第一和第二電壓控制電容。該差動放大電路的差動輸出端子，係分別連接至第一和第二射極隨耦器電路。該第一射極隨耦器電路的輸出訊號，經由一第三電容和一第三電壓控制電容，回饋至該第二輸入端子，且該第二射極隨耦器的輸出訊號，經由一第四電容和一第四電壓控制電容，回饋至該第二輸入端子。一控制電壓係施加於該電壓控制電容之每一者。

Description

電壓控制之振盪電路及晶體振盪器
本發明係關於包含共振元件(舉例來說，連接於差動放大電路之差動輸入端子之間的壓電共振器)的振盪電路，且更特別是關於能夠以外部輸入電壓控制振盪頻率的電壓控制之振盪電路，以及包含該電壓控制振盪電路的石英晶體振盪器。
各種電子裝置包含振盪電路。隨著電子裝置尺寸逐漸縮小，業界廣泛地努力以在積體電路(IC)上建構振盪電路。由於能夠容易地整合例如電晶體、電阻、及電容的許多電路元件於積體電路中，藉由採用作為振盪電路的電路結構之具有高電源雜訊抑制能力的差動式結構，可建構低雜訊振盪電路。
差動式振盪電路包含決定振盪頻率的共振元件與連接至該共振元件的放大電路。除了以石英晶體共振器(即晶體元件或晶體振子(crystal unit))為代表之壓電共振器之外，該共振元件亦可為機械式共振器或LC(電感-電容)共振電路。
JP3-230605A揭露一差動式振盪電路，其包含差動放大電路，該差動放大電路具有一對雙極電晶體，以及一共振元件，例如連接於該等雙極電晶體基極之間的晶體元件。圖1展示揭露於JP3-230605A之差動式振盪電路。
如圖1所示，電晶體31、32各自具有射極，其共同連接至一接點，該接點經由電流源37接地。電晶體31、32具有集極，分別經由負載電阻35a、35b供給電源電壓Vcc。共振元件21一端連接至電晶體31的基極，而另一端則連接至電晶體32的基極。回饋電容33a連接於電晶體32的基極與電晶體31的集極之間，且回饋電容34a連接於電晶體31的基極與電晶體32的集極之間。在圖1中，電容33b、34b，其分別位於電晶體31、32與地之間，係寄生回饋電容。施加電源電壓Vcc至偏壓電路36，其分別經由偏壓電阻38a、38b供給基極偏壓電壓至電晶體31、32的基極。 一對差動振盪輸出訊號Lo、/Lo，分別由電晶體32、31的集極取得。
由於圖1所示之振盪電路藉由差動放大電路能夠提供大的迴路增益，該振盪電路之優點，在於其具有高的以低功耗起振之能力，或換言之，其具有大的負電阻。
縱使使用如共振元件21之晶體元件或類似者，使用者可發現需要依據由外部電路所提供之控制電壓改變振盪頻率。能夠按照外部電路所提供之控制電壓控制振盪頻率的振盪電路，稱為電壓控制振盪(VCO)電路。吾人可易於理解的是，具有寬的可變頻率範圍的電壓控制振盪電路的實現，係藉由以電壓控制可變電容取代圖1所示之電路中的寄生回饋電容33b、34b。
圖2展示基於圖1所示振盪電路所建構的電壓控制振盪電路的範例。如圖2所示，電晶體Q1、Q2各自具有射極，其共同連接至一接點，該接點經由電流源I1接地。電晶體Q1、Q2具有集極，分別經由負載電阻(即集極電阻)R1、R2，供給電源電壓Vcc。共振元件21一端經由節點X1連接到電晶體Q1的基極，另一端則經由節點X2連接到電晶體Q2的基極。節點X1、X2係分別連接至電壓控制可變電容VC1、VC2的端點，而電壓控制可變電容VC1、VC2各自的另一端點則提供以控制電壓Vcont。因此，節點X1、X2作為接點，通過該接點(節點X1、X2)可變電容VC1、VC2連接至共振元件21，且電晶體Q1、Q2的基極分別連接至節點X1、X2。回饋電容C1係連接於節點X1和電晶體Q2的集極之間，且回饋電容C2係連接於節點X2和電晶體Q1的集極之間。偏壓電阻R3、R4係分別連接至節點X1、X2。偏壓電壓Vb係經由偏壓電阻R3、R4施加至電晶體Q1、Q2的基極。差動緩衝放大器22，其放大節點X1、X2之間的電壓差，提供一對差動輸出訊號至輸出端子OUTPUT。
圖2所示之電壓控制振盪電路，可在依據施加至可變電容VC1、VC2的控制電壓Vcont之寬的可變頻率範圍之頻率下振盪。然而，該振盪電路的問題，係在於迴路特性依據可變電容VC1、 VC2的電容值而大幅改變。振盪電路迴路特性上的變化，以下將參考圖3加以說明。
圖3展示，在圖2所示利用具有75 MHz共振振盪頻率的晶體元件作為共振元件21的電路中，可變電容VC1、VC2的電容值在2 pF到10 pF的範圍內變動時，在75 MHz附近頻帶的迴路特性。在圖3中，曲線G1到G4表示增益特性，且曲線P1到P4係相位特性。曲線G1、P1分別表示當可變電容VC1、VC2的電容值為2 pF時的增益和相位特性。曲線G2、P2分別表示當可變電容VC1、VC2的電容值為3 pF時的增益和相位特性。曲線G3、P3分別表示當可變電容VC1、VC2的電容值為6 pF時的增益和相位特性。曲線G4、P4分別表示當可變電容VC1、VC2的電容值為10 pF時的增益和相位特性。在其上增益為0 dB以上且相位為0°的頻率係振盪頻率，且於該頻率的增益係在一振盪狀態的迴路增益。當特性曲線相對頻率更陡斜地變化，則電路的Q因數更大。
由圖3可說明當可變電容VC1、VC2的電容值改變時，電路的迴路增益和Q因數會改變。具體而言，可變電容值愈小，即振盪頻率愈高，迴路增益會愈高，且同時電路的Q因數愈低。特性曲線G1、G4之間的比較指出，相對頻率改變特性曲線G1與特性曲線G4相比較不陡斜，且相對頻率改變特性曲線P1與特性曲線P4相比較不陡斜，這意味著Q因數隨較小的電容值而減小。
迴路增益和Q因數的改變會影響電壓控制振盪電路的特性。具體而言，迴路增益的改變會導致負電阻改變，這意味著依據施加至電壓控制可變電容之控制電壓Vcont，振盪電路的起振特性會有所不同。電路Q因數的降低招致相位雜訊的惡化。
具體而言，對所述型態之電壓控制振盪電路，具有包含於積體電路(IC)晶片之差動放大電路和可變電容，且亦具有加以連接作為該IC晶片之外部元件的例如晶體元件之共振元件，係普遍之作法。使用者可依據振盪電路的目的決定所使用共振元件的型態和共振頻率。然而，鑒於成本和庫存管理，最好是使用一種 型態之IC晶片與不同型態且不同共振頻率的共振元件相結合。然而，當不同型態且不同共振頻率的共振元件連接到一種型態之IC晶片，依據所連接的共振元件，變化的起振特性和惡化的Q因數的問題可能會加劇。
吾人可將電壓控制振盪電路建構成一封裝元件，而安裝於配線板或電路板之上。舉例來說，具有全部容納於一殼體內的作為共振元件的晶體元件及包含差動放大電路和可變電容的IC晶片之石英晶體振盪器，由於其能夠輕易地縮小尺寸，被普遍運用於例如行動電話之可攜式裝置。該IC晶片可整合溫度補償電路，其用於補償晶體元件之溫度對頻率特性之改變。
JP2001-156545A揭露一振盪電路，其包含具有一對雙極電晶體和連接於該等電晶體之集極之間的LC共振電路的差動放大電路。
如上所述，在根據習知技術之包含差動放大電路的電壓控制振盪電路中，電路的迴路特性易於隨所施加之控制電壓而改變，且起振特性和相位雜訊受到該變化之迴路特性的不良影響。
[0017]本發明提供一電壓控制振盪電路，其適於建構於積體電路上，該電壓控制振盪電路具有寬的可變頻率範圍、產生低的相位雜訊、且可與不同型態且不同共振頻率的共振元件相匹配。
此外，本發明亦提供一晶體振盪器，其具有寬的可變頻率範圍、產生低的相位雜訊、且可與不同的振盪頻率相匹配。
根據本發明，提供一種電壓控制振盪電路，其用於連接至一共振元件，該電壓控制振盪電路包含：一第一節點和一第二節點，用於分別連接至該共振元件相對向的端部；一差動放大電路，包含構成一對差動輸入端子的第一和第二輸入端子，及構成一對差動輸出端子的第一和第二輸出端子；第一和第二電壓控制可變電容，分別連接至該第一節點和該第二節點；第一和第二負載電容，分別連接至該第一和第二輸出端子；第一和第二隨耦器電路， 例如射極隨耦器電路，分別連接至該第一和第二輸出端子；一第一回饋電容和一第三電壓控制可變電容，其串聯至該第一隨耦器電路的輸出端；及一第二回饋電容和一第四電壓控制可變電容，其串聯至該第二隨耦器電路的輸出端；其中該第一和第二節點係分別連接至該第一和第二輸入端子，該第一隨耦器電路的輸出訊號，經由該第一回饋電容和該第三電壓控制可變電容，回饋至該第二節點，該第二隨耦器電路的輸出訊號，經由該第二回饋電容和該第四電壓控制可變電容，回饋至該第一節點，且一控制電壓施加至該第一到第四電壓控制可變電容。
根據本發明，亦提供一種晶體振盪器，包含：一晶體元件；一IC晶片，其連接至該晶體元件；及一容器，容納該晶體元件及該IC晶片於其中；其中該IC晶片包含整於於其中的至少一電壓控制振盪電路，其連接至該晶體元件。並且，該電壓控制振盪電路包含：第一和第二節點，分別連結至該共振元件的相對向端部；一差動放大電路，包含構成一對差動輸入端子的第一和第二輸入端子，及構成一對差動輸出端子的第一和第二輸出端子；第一和第二電壓控制可變電容，分別連接至該第一節點和該第二節點；第一和第二負載電容，分別連接至該第一和第二輸出端子；第一和第二隨耦器電路，分別連接至該第一和第二輸出端子；一第一回饋電容和一第三電壓控制可變電容，串聯至該第一隨耦器電路的輸出端子；一第二回饋電容和一第四電壓控制可變電容，串聯至該第二隨耦器電路的輸出端子；其中該第一和第二節點係分別連接至該第一和第二輸入端子，該第一隨耦器電路的輸出訊號經由該第一回饋電容及該第三電壓控制可變電容回饋至該第二節點，該第二隨耦器電路的輸出訊號經由該第二回饋電容及該第四電壓控制可變電容回饋至該第一節點，且一控制電壓施加至該第一到第四電壓控制可變電容。
在根據本發明之電壓控制振盪電路中，該第一和第二電壓控制電容係分別連接至差動放大電路的第一和第二輸入端子，且例如射極隨耦器之隨耦器電路係分別連接至該差動放大電路的第 一和第二輸出端子。該等隨耦器電路其中之一的輸出訊號，經由第三電壓控制可變電容，回饋至該差動放大電路，且另一隨耦器電路的輸出訊號，經由第四電壓控制可變電容，回饋至該差動放大電路。以此方式，無論控制電壓如何改變，差動放大電路的迴路特性保持固定，從而維持包含起振特性和相位雜訊之電壓控制振盪電路的良好特性。由於無論共振元件的特性差動放大電路亦保持良好的迴路特性，電壓控制振盪電路可相容於不同型態及不同共振頻率的共振元件。
相似或相同的零件在所有圖式中以相似或相同的參考符號表示。
在描述根據本發明示範實施例之電壓控制振盪電路之前，以下將說明由本案發明人所分析出的為何根據相關習知技術之電壓控制振盪電路的迴路增益會隨控制電壓而變化的原因。在圖2所示之電壓控制振盪電路之中，包含電晶體Q1、Q2的差動放大電路之輸出訊號(即電晶體Q1、Q2的集極的輸出訊號)，會回饋作為至差動放大電路輸入端子(即電晶體Q1、Q2的基極)的訊號，該訊號的電壓被具有電容C1、C2及可變電容VC1、VC2的電壓分壓電路分壓。當可變電容VC1、VC2的電容值改變，回饋訊號的準位亦改變，導致迴路增益的改變。
以下將說明由本案發明人所分析出之為何根據習知相關技術的電壓控制振盪電路的Q因數會隨控制電壓而降低之原因。圖4係圖2所示電路的AC等效電路電路圖，其中無電晶體Q1、Q2回饋路徑，亦即無電晶體Q1、Q2。此處假設圖2所示偏壓電阻R3、R4由於充分地大於差動放大電路的負載電阻R1、R2而可忽略。
為了說明之目的，假設共振元件21的Q因數為無限大(∞)。若負載電阻R1、R2的電阻值為零，則圖2所示整個電路的Q因數為無限大，而使該振盪電路為理想的。然而，實際上由 於負載電阻R1、R2具有有限的電阻值，Q因數因而降低。因為圖2所示電路之負載電阻R1、R2的電阻值和電容C1、C2的電容值沒有改變，由於負載電阻R1、R2於Q因數的效應，Q因數隨可變電容VC1、VC2的電容值變小而變小。參考圖3如上所述，因此，當可變電容VC1、VC2的電容值變小時，即振盪電路於較高的頻率振盪時，電路的Q因數隨之降低。
基於上述分析，若要在圖2所示電路中縱使控制電壓改變的狀況下能夠保持迴路增益不變，則電容C1、C2必須包含可變電容，且其電容值須以可變電容VC1、VC2依據控制電壓改變的相同比例而改變。為了防止Q因數降低，差動放大電路的輸出阻抗可設計為趨近零，且例如射極隨耦器(emitter follower)之電路可加入該差動放大電路。然而，光是加入射極隨耦器電路無法維持該振盪電路良好地振盪，這是因為未滿足在最大迴路增益之頻率訊號相位旋轉360°(=0°)的需求。
鑒於上述分析結果，本案發明人提出根據以下所述示範實施例的電壓控制振盪電路，其能夠保持自身振盪良好。
圖5描述根據本發明第一示範實施例之電壓控制振盪電路的結構。圖5所示電路與圖2所示電壓控制振盪電路的不同，在於額外具有包含電晶體Q3、Q4及電流源I2、I3之二個射極隨耦器，以達到無論任何控制電壓Vcont均能保持高的Q因數，以及無論任何控制電壓Vcont均能保持固定的迴路增益。先前已描述電容C1、C2應包含可變電容，以維持固定的迴路增益。然而，所增加的該等射極隨耦器需要於如圖5所示之電路中加入串聯的電壓控制可變電容VC3、VC4及電容C3、C4。電容C3、VC3作為用於回饋訊號至電晶體Q1基極的電容，且電容C4、VC4作為用於回饋訊號至電晶體Q2的基極的電容。
在如圖2所示之振盪電路中，差動放大電路的負載電阻R1、R2與連接至差動放大電路的輸出端子的電容負載，延遲訊號在迴路增益最大化的頻率達到訊號相位0°的條件。該電容負載包含電容C1、C2與可變電容VC1、VC2。僅僅加入射極隨耦器電 路無法達到於迴路增益最大化的頻率達到訊號相位0°的條件。在如圖5所示根據本示範實施例之振盪電路中，將電晶體Q2的集極接地之電容C1，以及將電晶體Q1的集極接地之電容C2，對訊號造成一相迴轉，藉此於迴路增益最大化的頻率達到訊號相位0°的條件，如同如圖2所示根據相關習知技術之電路。
以下將描述圖5所述電壓控制振盪電路的細節，特別是被增加進圖2所示電路的部分。
如圖5所示，屬於射極隨耦器電路其中之一的電晶體Q3，具有連接至電源電壓Vcc的集極及連接至電晶體Q2集極的基極。電流源I2連接於電晶體Q3的射極與地之間。電容C3一端連接至電晶體Q3的射極，且另一端經由可變電容VC3連接至節點X1。類似地，屬於另一射極隨耦器電路的電晶體Q4具有連接至電源電壓Vcc的集極及連接至電晶體Q1集極的基極。電流源I3連接於電晶體Q4的射極與地之間。電容C4一端連接至電晶體Q4的射極，且另一端經由可變電容VC4連接至節點X2。控制電壓Vcont經由電阻R6施加至電容C3和可變電容VC3之間的一接點，且控制電壓Vcont亦經由電阻R7施加至電容C4和可變電容VC4之間的一接點。控制電壓Vcont也經由電阻R8施加至可變電容VC1、VC2。
電壓控制可變電容VC1到VC4的每一者包含一元件，其電容值依據施加至其上的電壓而改變，意即具有電壓相關電容值之元件，例如可變電容二極體、變容二極體、MOS(金屬氧化物半導體)電容等。此外，電壓控制可變電容VC1到VC4亦可使用由複數電路元件所構成之電路，該複數電路元件係被結合以提供電壓相關電容值。
圖6描述在使用具有75 MHz振盪頻率的晶體元件且電壓控制可變電容VC1、VC2的電容值變動於2 pF到10 pF之範圍內以改變振盪頻率的條件下，當振盪頻率係藉由改變控制電壓Vcont而加以改變時，圖5所示電壓控制振盪電路的迴路特性之改變。在圖6中，曲線G1到G4表示增益特性，且曲線P1到P4表示相 位特性。曲線G1、P1分別表示當可變電容VC1、VC2之電容值皆為2 pF時之增益和相位特性。曲線G2、P2分別表示當可變電容VC1、VC2之電容值皆為3 pF時之增益和相位特性。曲線G3、P3分別表示當可變電容VC1、VC2之電容值皆為6 pF時之增益和相位特性。曲線G4、P4分別表示當可變電容VC1、VC2之電容值為10 pF時之增益和相位特性。
如圖6所示，當可變電容VC1、VC2的電容值依控制電壓Vcont而改變時，圖5所示之振盪電路的迴路增益實質上維持不變，且其Q因數亦實質上維持不變。
用以對照，圖7展示圖5所示振盪電路及圖2所示振盪電路的相位雜訊特性。假設振盪電路的各半導體元件的接面溫度Tj為25℃，且可變電容VC1、VC2的電容值皆為3 pF。在圖7中，標示為「相位雜訊A」的曲線表示圖2所示根據習知相關技術之振盪電路的相位雜訊特性，且標示為「相位雜訊B」的曲線表示圖5所示根據本示範實施例之振盪電路的相位雜訊特性。如圖7所示，與圖2所示根據習知相關技術之電路的相位雜訊特性相比，圖5所示電路之相位雜訊特性改善約6 dBc/Hz。該相位雜訊特性係因為改善之Q因數而改善。在高於10 kHz的偏移頻率範圍兩個電路的相位雜訊不變，這是因為相位雜訊在這個偏移頻率範圍受限於電路的熱雜訊。
如上所述，在第一示範實施例中實現一種具有寬的可變頻率範圍且低的相位雜訊之電壓控制振盪電路。
圖8描述根據本發明第二示範實施例的電壓控制振盪電路。圖8所示振盪電路與圖5所示振盪電路不同之處，在於其額外包含連接至圖5所示振盪電路中差動放大電路的各自輸入端子的射極隨耦器。
具體而言，如圖8所示，包含電晶體Q5和電流源I4的射極隨耦器，連接至電晶體Q1的基極。電晶體Q5具有連接至電晶體Q1基極的射極，且電流源I4係連接至電晶體Q5射極和地之間。電晶體Q5具有連接至節點X1的基極，及連接至電源Vcc的 集極。類似地，包含電晶體Q6和電流源I5的射極隨耦器電路係連接至電晶體Q2的基極。電晶體Q6具有連接至電晶體Q2基極的射極，且電流源I5係連接至電晶體Q6的射極和地之間。電晶體Q5具有連接至節點X2的基極及連接至電流源Vcc的集極。
當圖5所示根據第一示範實施例之振盪電路周遭的溫度增加時，該雙極電晶體每一者的電流放大因子hfe降低，導致輸入電晶體Q1、Q2基極的電流增加以及相位雜訊的惡化。在圖8所示根據第二示範實施例之之振盪電路中，連接至電晶體Q1、Q2的輸入端子每一者的射極隨耦器係防止相位雜訊於高溫惡化之電路。藉由電晶體Q4、Q5實質上防止輸入電晶體Q1、Q2基極電流的增加，俾使能夠防止圖5所示之電壓控制振盪電路相位雜訊的惡化。
用以對照，圖9展示圖5所示振盪電路及圖8所示振盪電路的相位雜訊特性，其中圖8所示振盪電路係為防止高溫下相位雜訊惡化而加以設計。假設振盪電路的各半導體元件的接面溫度Ij為85℃，且可變電容VC1、VC2的電容值皆為3 pF。在圖9中，標示為「相位雜訊C」的曲線表示圖5所示根據第一示範實施例之電路的相位雜訊特性，且標示為「相位雜訊D」的曲線表示圖8所示根據本示範實施例之電路的相位雜訊特性。由圖9可知所增加的射極隨耦器電路改善高溫下的相位雜訊約12 dBc/Hz。
圖10描述根據本發明第三示範實施例之電壓控制振盪電路。
對於在積體電路(IC)上建構電壓控制振盪電路，由於包含經濟因素的各種原因，最好能夠在一種型態之電壓控制振盪電路中使用不同型態及不同頻率的共振元件。除了為了使其能夠與各種共振元件相容所作的一些修改，圖10所示振盪電路係類似於圖8所示振盪電路。具體而言，圖10所示電路包含圖8所示電路中電流源I1、負載電阻R1、R2、及負載電容C1、C2的可變形式。電流源I1、負載電阻R1、R2、及負載電容C1、C2的值可加以調整，以使電壓控制振盪電路相容於不同頻率的共振元件。具體而 言，圖10所示振盪電路包含：可變電流源VI1，其取代電流源I1；可變電阻VR1、VR2，其取代負載電阻R1、R2；及可變電容SC1、SC2，其取代負載電容C1、C2。
更具體來說，假設在使用具有共振頻率75 MHz的晶體元件作為共振元件21之狀況，負載電容SC1、SC2各自具有適當的電容值2 pF。若使用具有150 MHz振動頻率的晶體元件作為共振元件21時，則必須將差動放大電路的頻帶加倍，而此狀況下負載電容SC1、SC2各自具有適當的電容值1 pF。
相同效果可藉由可變電流源VI1及可變電阻VR1、VR2而達成。具體而言，相同效果之達成，係可藉由保持負載電容SC1、SC2的電容值於2 pF，且將由電流源VI1所供給之電流量加倍，並將負載電阻VR1、VR2的電阻值減半。在這些電路元件的值可變的狀況下，圖10所示根據第三示範實施例之電壓控制振盪電路可適用於不同型態與共振頻率的共振元件。
實現該等電路元件的具體電路範例描述於圖11到13。圖11展示可變負載電阻VR1、VR2的結構的具體範例。圖12展示可變負載電容SC1、SC2之結構的具體範例。圖13展示可變電流源VI1的結構的具體範例。這些可變電路元件具有藉由輸入邏輯訊號改變其元件值的功能。
圖11所示可變負載電阻包含連接至電流源Vcc的端子T1及連接至電晶體Q1或Q2之集極的端子T2。端子T1係連接至電阻Ra0的一端及n件P通道MOSFET(MOS場效電晶體)MP1到MP(n)的並聯汲極。電阻Ra0的另一端連接至端子T2。電晶體MP1到MP(n)的源極分別經由電阻Ra1到Ra(n)連接至端子T2。對電晶體MP1到MP(n)的閘極分別供給控制訊號Rcont1到Rcont(n)。因此，藉由以n個作為邏輯訊號之控制訊號Rcont1到Rcont(n)控制電晶體MP1到MP(n)的開啟與關閉，可變負載電阻可具有所欲之電阻值。
圖12所示可變負載電容係建構成切換式電容，且具有連接至電晶體Q3或Q4基極的端子T3及接地之端子T4。端子T4係 連接至n件N通道MOSFET MN1到MN(n)並聯之源極。電晶體MN1到MN(n)的汲極分別經由電容Ca1到Ca(n)連接至端子T3。對電晶體MN1到MN(n)的閘極分別供給控制訊號Ccont1到Ccont(n)。藉由以作為邏輯訊號之n個控制訊號Ccont1到Ccont(n)控制電晶體MN1到MN(n)的開啟與關閉，可變負載電容可具有所欲之電容值。
如圖13所示之可變電流源包含：電流輸出端子Iout；參考電流源I0；(m+1)件雙極電晶體Qa0到Qa(m)，其整體構成一電流鏡電路；2n件M通道MOS場效電晶體Ma1到Ma(n)、Mb1到Mb(n)；(m+1)件電阻Rb0到Rb(m)；及n件反向器(即邏輯反向電路)Inv1到Inv(n)，其中m>n。電晶體Qa0到Qa(m)的射極分別經由電阻Rb0到Rb(m)接地。電晶體Qa0到Qa(m)的集極相互並聯連接至電流輸出端子Iout。電晶體Qa(n+1)到Qa(m)的基極和集極共同連接至參考電流源I0的輸出端子。電晶體Mb1到Mb(n)的源極接地，電晶體Mb1到Mb(n)的汲極分別連接至電晶體Ma1到Ma(n)的源極。電晶體Qa1到Qa(n)的基極分別連接到電晶體Mb1到Mb(n)的汲極和電晶體Ma1到Ma(n)的源極之間的接點。電晶體Ma1到Ma(n)的汲極共同連接到參考電流源I0的輸出端子。對電晶體Mb1到Mb(n)的閘極分別供給控制訊號Icont1B到Icont(n)B。經由反向器Inv1到Inv(n)對電晶體Ma1到Ma(n)的閘極分別供給控制訊號Icont1B到Icont(n)B。以此建構之可變電流源，依據為邏輯訊號之控制訊號Icont1B到Icont(n)B，能夠獨立地將電晶體Qa1到Qa(n)的基極選擇性地接地或連接至參考電流源I0的輸出端子。由於構成電流鏡電路的電晶體的數量藉由控制控制訊號Icont1B到Icont(n)B的開啟和關閉可增加或減少，圖13所示之電路配置可作為可變電流源。為了降低相位雜訊，各別雙極電晶體Qa0到Qa(m)的電流放大因子較佳應較小為宜。
圖13所示根據第三示範實施例之可變電流源採用圖8所示振盪電路中負載電阻R1、R2、電流源I1、及負載電容C1、C2的可變形式。在圖5所示電壓控制振盪電路中，負載電阻R1、R2、 電流源I1、及負載電容C1、C2可類似地為可變元件。
圖14描述根據本發明第四示範實施例之電壓控制振盪電路。
根據前述示範實施例之電壓控制振盪電路可使用各種型態和各種不同共振頻率的共振元件21。然而，若使用具有極端高的Q因數的共振元件21，該等電路可能造成問題。舉例來說，若用以作為共振元件21的晶體元件的共振頻率較低，即10 MHz以下，則晶體元件本身的Q因數變得非常高，例如Q=106，導致通過該晶體元件的訊號電壓的振幅變得非常大且超過直接電連接至該晶體元件的電晶體的耐受電壓，這可能毀壞該電晶體。圖14所示振盪電路包含由電容所構成之分壓電路，該等電容連接於共振元件21與差動放大電路的輸入端或在差動放大電路的輸入級之射極隨耦器之間，該分壓電路係用於降低施加至電晶體基極訊號之振幅。
具體而言，圖14所示振盪電路與圖10所示振盪電路的不同之處，在於其額外包含：電阻R9、R10；電容C5、C6；及為切換式電容之可變電容SC3、SC4。電容C5係連接於節點X1和電晶體Q5基極之間，其中偏壓電壓Vb經由電阻R9供給電晶體Q5。電晶體Q5基極亦連接至可變電容C3的一端，該可變電容的另一端係接地。電容C5、SC3共同地構成可變分壓電路。類似地，電容C6係連接於節點X2和電晶體Q6基極之間，其中偏壓電壓Vb經由電阻R10供給電晶體Q6。電晶體Q6基極亦連接至可變電容C4的一端，該可變電容的另一端係接地。電容C6、SC4共同地構成可變分壓電路。這些分壓電路係用以降低施加至射極隨耦器電路和差動放大電路的輸入訊號之振幅。由於可變電容SC3、SC4的電容值可依據共振元件21的特性而加以決定，圖14所示電壓控制振盪電路可用於各種型態及各種不同共振頻率的共振元件21。舉例來說，可變電容SC3、SC4每一者可如圖13所示者。
圖14所示根據第四示範實施例之振盪電路與圖10所示根據第三示範實施例之振盪電路的不同之處，在於其額外包含：電阻R9、R10；電容C5、C6；及為切換式電容之可變電容SC3、SC4。 類似地，電阻R9、R10、電容C5、C6、及為切換式電容之可變電容SC3、SC4可加入至圖5所示根據第一示範實施例之振盪電路。在這個修改中，電容C5、SC3、及電阻R9之間的接點係連接至電晶體Q1的基極，且電容C6、SC4、及電阻R10之間的接點係連接至電晶體Q2的基極。
圖15描述根據本發明第五示範實施例之電壓控制振盪電路。
圖10及14所示電壓控制振盪電路藉由包含在其電路中的可變元件而能夠與不同型態的共振元件相容。然而，若要裝設用於控制那些可變元件的訊號端子於積體電路上，則積體電路的晶片面積可能變得大到實際上不可行的程度。圖15所示振盪電路包含可程式PROM(可程式唯讀記憶體)23，其配置於有電壓控制振盪電路(VCO)20整合於其中的積體電路上。此外，於積體電路中之振盪電路包含：切換控制器24，將寫入PROM 23中的資料變換為對可變元件的控制訊號，且供給該等控制訊號至在電壓控制振盪電路20中的可變元件；及介面電路25，將資料寫入和讀出PROM 23。電壓控制振盪電路20、PROM 23、切換控制器24、及介面電路25共同地構成可程式電壓控制振盪電路。具體而言，電壓控制振盪電路20中的可變元件包含：可變電阻VR、為切換式電容的可變電容SC、及可變電流源VI。介面電路25，其被設置為邏輯電路，具有：輸入和輸出端子(S-Data I/O)，用於以串列格式將資料寫入和讀出PROM 23；端子(CLK)，用於輸入一時脈訊號；及端子(R/W)，用於輸入切換寫入模式和讀取模式的訊號。
如圖15所示建構之電路，能夠降低積體電路的端子數目，且能夠藉由改變於PROM 23所寫入的資料而應用於各種型態及各種共振頻率的共振元件21。如此建構之電壓控制振盪電路可自動化加以製造。
以下將描述能夠用於根據前述示範實施例之電壓控制振盪電路中的電壓可變電容(voltage-variable capacitor)。具體而言，以下將描述用以作為圖10所示根據第三示範實施例之振盪電路中 的可變電容VC1到VC4的特定型態電壓可變電容。
圖16所示電壓控制振盪電路包含變容二極體VCD1到VCD4，其分別作為圖10所示電路之可變電容VC1到VC4。變容二極體VCD1、VCD3的陰極共同連接至節點X1，且變容二極體VCD2、VCD4的陰極共同連接至節點X2。變容二極體VCD1、VCD2、及電阻R8之間的接點經由電容C7接地。
圖17所示電壓控制振盪電路包含MOS電容MVC1到MVC4，其分別作為圖10所示電路之可變電容VC1到VC4。MOS電容MVC1、MVC3的閘極電極共同連接至節點X1，且MOS電容MVC2、MVC4的閘極電極共同連接至節點X2。MOS電容MVC1、MVC2和電阻R8之間的接點經由電容C7接地。
圖18展示一電壓控制振盪電路，其包含反向連接之圖17所示振盪電路的MOS電容MVC1到MVC4。在圖18所示電路中，由於MOS電容MVC1到MVC4係反向連接，施加於這些MOS電容的偏壓電壓極性必須反向。為滿足此一需求，在圖18所示電路中，電容C5係連接於節點X1和電晶體Q5基極之間，且電容C6係連接於節點X2和電晶體Q6基極之間。控制電壓Vcont，而非偏壓電壓，施加至偏壓電阻R3、R4之間的接點，且第一偏壓電壓Vb1，而非控制電壓，施加至電阻R6、R8之間的接點。第二偏壓電壓Vb2經由電阻R11施加至電晶體Q5的基極，且亦經由電阻R12施加至電晶體Q6的基極。
不同於圖10所示振盪電路，圖16到18所示電路每一者中，二個電壓可變電容和電阻R8之間的接點係經由電容C7而AC接地。電容C7係不必然需要。若施加於二個電壓可變電容的電壓相對於其電容值為線性，則二個電壓可變電容和電阻R8之間的共同接點係作為交流電上的虛接地點，且對於AC元件總是被保持於零電位。然而，由於電壓可變電容的電壓對電容特性實際上是非線性的，就交流電而言，該共同接點並未作為虛接地點，導致相位雜訊的惡化。因此，若電壓可變電容的非線性較大，電容C7連接至電壓可變電容和地之間的接點，以使相位雜訊的惡化最小 化。
圖19和20展示圖17和18所示電壓控制振盪電路中所包含的MOS電容的特定結構細節。圖19係各MOS電容結構之橫剖面圖，且圖20係從圖中刪除氧化物層44之結構的平面示意圖。
如圖19和20所示，為積體電路半導體基板之矽基板41的表面，包含藉由導入N型摻質所形成的N井區42。N井區42包含電極連接區43於其一端，該電極連接區43係藉由導入N型摻質至較高濃度準位所形成之N+區。非電極連接區43的其餘N井區42區域係位於多晶矽電極45之下，相當於MOSFET閘極絕緣膜的薄氧化物層插設其間。N井區42和多晶矽電極45之間氧化物層的厚度以Tox表示。氧化物層44，其係由SiO2或類似者構成，配置於矽基板41之上，與N井區42、電極連接區43、及多晶矽電極45成覆蓋關係。介設於N井區42與多晶矽電極45之間的薄氧化物層係氧化物層44的一部分。
氧化物層44其中包含內連線層46、47，其相當於半導體積體電路的層間內連線層。內連線層46經由接觸部48電連接至多晶矽電極45，且內連線層47經由接觸部49電連接至電極連接區43。內連線層46由MOS電容閘極電極引出，且內連線層47由半導體基板引出。
以上已描述根據本發明示範實施例之電壓控制振盪電路，其中一差動放大電路包含一對NPN雙極電晶體，且射極隨耦器電路係連接至該差動放大電路。然而，本發明並不限定於那些電壓控制振盪電路，而是可以各種方式加以變化。舉例來說，根據本發明之電壓控制振盪電路可包含具有N通道MOS電晶體的差動放大電路，且可包含另一隨耦器電路，例如源極隨耦器電路，而非射極隨耦器。
以下將描述將所有元件整合為一組件之一晶體振盪器，其包含晶體元件，該晶體元件作為上述電壓控制振盪電路其中任一者之中的共振元件。圖21展示根據本發明之晶體振盪器的結構範例之剖面圖。
圖21所示晶體振盪器有助於在電路板上或配線板上表面黏著。該晶體振盪器包含以積層陶瓷構成之實質上平坦矩形平行六面體形狀的容器本體1。容器本體1具有形成於其主面的實質上矩形的凹部2，且在該凹部2中容納石英晶體坯3及IC(積體電路)晶片4。容器本體1以金屬蓋件5加以覆蓋以封閉凹部2，以使晶體坯3和IC晶片4密封於由容器本體1和蓋件5所建構的容器中。晶體坯3係作為晶體元件。IC晶片4包含整合於半導體基板上之電子電路，該電子電路包含上述電壓控制振盪電路其中任一除共振元件21以外的所有元件。電子電路設置於其上的IC晶片4主面，被稱為電路形成表面。
圖22係由圖中刪除蓋件5之晶體振盪器的平面視圖，且圖23係由圖中刪除蓋件5和晶體坯3的圖21所示晶體振盪器的平面視圖。如圖22和23所示，環形金屬膜16以對凹部2成圍繞關係設置於所述容器本體1上表面之上。金屬膜16係用以連結蓋件5和容器本體1。
舉例來說，晶體坯3為實質上矩形之AT切割石英晶體坯。驅動電極11分別中心配置於晶體坯3的主面二者。連接電極12分別由各驅動電極11向晶體坯3短邊的各相對向端部延伸。連接電極12於晶體坯3短邊的端點在晶體坯3的主面之間反折。
界定凹部2之容器本體1的內側壁表面，具有二型態之階部6、7，即第一階部6和第二階部7。第一階部6低於第二階部7。第一階部6沿著容器本體7之相對向的長邊壁表面延伸，且第二階部7沿著容器本體7的短邊壁表面延伸。用於電連接至IC晶片4的複數焊墊(即連接電極)14，配置於第一階部6的上表面之上。用於電連接至晶體坯3的一對保持端子13，配置於第二階部7的上表面之上。保持端子13係經由容器本體1中的電傳導路徑電連接至焊墊14其中二者。複數裝配電極15藉由城堡形接點(castellation)組裝於容器本體1外側表面上。裝配電極15係用於當晶體振盪器表面黏著於電路板上或配線板上之時。裝配電極15係經由容器本體1中的電傳導路徑電連接至焊墊14。裝配電極 15包含：端子VCC，用於電源電壓；端子OUTM、OUTP，用於輸出訊號；接地端子GND；端子VCONT，用於接收控制電壓；端子OE，用於輸入一輸出賦能訊號；及諸如此類者。
IC晶片4，在其電路形成表面朝上的狀態下，固定於凹部2的內部下表面8。電路形成表面上連接焊墊，以金(Au)或類似者之引線10，藉由引線接合電連接至第一階部6上的焊墊14。IC晶片4從而電連接至裝配電極15。
晶體坯3在凹部2中穩固地被固持，且藉由以導電膠9於晶體坯3周緣上一對連接電極12向其引出之位置將一對連接電極12接合至保持端子13而將晶體坯3電連接至IC晶片4。以此方式固定於凹部2之內的晶體坯3，係位於IC晶片4之上，對IC晶片4成覆蓋關係。
晶體振盪器之完成，係藉由固定IC晶片4於凹部2的內部下表面8；藉由引線接合以引線10將連接焊墊電連接至焊墊14；接著，固定晶體坯3於保持端子13；之後，連結蓋件5至容器本體1的上表面，蓋件5係圍繞凹部2開口，藉此封閉凹部2，以使晶體坯3和IC晶片4密封於容器本體1中。
1‧‧‧容器本體
2‧‧‧凹部
3‧‧‧石英晶體坯
4‧‧‧晶片
5‧‧‧蓋件
6‧‧‧第一階部
7‧‧‧第二階部
8‧‧‧下表面
9‧‧‧導電膠
10‧‧‧引線
11‧‧‧驅動電極
12‧‧‧連接電極
13‧‧‧保持端子
14‧‧‧焊墊
15‧‧‧裝配電極
16‧‧‧環形金屬膜
20‧‧‧電壓控制振盪電路(VCO)
21‧‧‧共振元件
22‧‧‧差動緩衝放大器
23‧‧‧PROM(可程式唯讀記憶體)
24‧‧‧切換控制器
25‧‧‧介面電路
31、32‧‧‧電晶體
33a、34a‧‧‧回饋電容
33b、34b‧‧‧寄生回饋電容
35a、35b‧‧‧負載電阻
36‧‧‧偏壓電路
37‧‧‧電流源
38a、38b‧‧‧偏壓電阻
41‧‧‧矽基板
42‧‧‧N井區
43‧‧‧電極連接區
44‧‧‧氧化物層
45‧‧‧多晶矽電極
46、47‧‧‧內連線層
48‧‧‧接觸部
49‧‧‧接觸部
C1、C2‧‧‧電容
C3、C4‧‧‧電容
C5、C6‧‧‧電容
C7‧‧‧電容
Ca1、Ca2、…、Ca(n)‧‧‧電容
Ccont1、Ccont2、…、Ccont(n)‧‧‧控制訊號
I0‧‧‧參考電流源
I1‧‧‧電流源
I2、I3‧‧‧電流源
I4、I5‧‧‧電流源
Icont1B、…、Icont(n)B‧‧‧控制訊號
Iout‧‧‧電流輸出端子
Inv1、…、Inv(n)‧‧‧反向器
Lo、/Lo‧‧‧輸出訊號
Ma1、…、Ma(n)‧‧‧N通道MOSFET
Mb1、…、Mb(n)‧‧‧N通道MOSFET
MN1、MN2、…、MN(n)‧‧‧N通道MOSFET
MP1、MP2、…、MP(n)‧‧‧P通道MOSFET
MVC1、…、MVC4‧‧‧MOS電容
OUTPUT‧‧‧輸出端子
Q1、Q2‧‧‧電晶體
Q3、Q4‧‧‧電晶體
Q5、Q6‧‧‧電晶體
Qa0、Qa1、…、Qa(m)‧‧‧雙極電晶體
R1、R2‧‧‧負載電阻
R3、R4‧‧‧偏壓電阻
R6、R7、R8‧‧‧電阻
R9、R10‧‧‧電阻
R11、R12‧‧‧電阻
Ra1、Ra2、…、Ra(n)‧‧‧電阻
Rb0、…、Rb(m)‧‧‧電阻
Rcont1、Rcont2、…、Rcont(n)‧‧‧控制訊號
SC1、SC2‧‧‧可變電容
SC3、SC4‧‧‧可變電容
SC‧‧‧可變電容
T1、T2‧‧‧端子
T3、T4‧‧‧端子
Vb‧‧‧偏壓電壓
Vb1‧‧‧第一偏壓電壓
Vb2‧‧‧第二偏壓電壓
Vcc‧‧‧電源電壓
Vcont‧‧‧控制電壓
VC1、VC2‧‧‧電壓控制可變電容
VC3、VC4‧‧‧電壓控制可變電容
VCD1、…、VCD4‧‧‧變容二極體
VI1‧‧‧可變電流源
VI‧‧‧可變電流源
VR1、VR2‧‧‧可變電阻
VR‧‧‧可變電阻
X1、X2‧‧‧節點
G1、G2、G3、G4‧‧‧曲線
P1、P2、P3、P4‧‧‧曲線
圖1係電路圖，展示根據相關習知技術之包含差動放大電路的振盪電路結構的範例；圖2係電路圖，展示基於圖1所示振盪電路所建構之電壓控制振盪電路之結構的範例；圖3展示圖2所示電路的迴路特性；圖4係由其中移除回饋路徑之圖2所示電路的AC等效電路電路圖；圖5係電路圖，展示根據本發明第一示範實施例之電壓控制振盪電路的結構；圖6展示圖5所示電路所改善之迴路特性；圖7展示圖5所示電路所改善之相位雜訊特性； 圖8係電路圖，展示根據本發明第二示範實施例之電壓控制振盪電路的結構；圖9展示圖8所示電路所改善之相位雜訊特性；圖10係電路圖，展示根據本發明第三示範實施例之電壓控制振盪電路的結構；圖11係電路圖，展示可變電阻結構的範例；圖12係電路圖，展示切換式可變電容結構之範例；圖13係電路圖，展示可變電流源結構之範例；圖14係電路圖，展示根據本發明第四示範實施例之電壓控制振盪電路的結構；圖15係電路圖，展示根據本發明第五示範實施例之電壓控制振盪電路的結構；圖16係電路圖，展示圖10所示電壓控制振盪電路的範例，其中變容二極體係作為電壓控制可變電容；圖17係電路圖，展示圖10所示電壓控制振盪電路的範例，其中MOS(金屬氧化物半導體)係作為電壓控制可變電容；圖18係電路圖，展示圖10所示電壓控制振盪電路的另一範例，其中MOS電容係作為電壓控制可變電容；圖19係MOS電容結構的範例之剖面圖；圖20係圖19所示MOS電容的平面示意圖；圖21係根據本發明之晶體振盪器結構之範例的剖面圖；圖22係由圖中移除一蓋件之圖21所示晶體振盪器的平面視圖；及圖23係由圖中移除蓋件和晶體坯之圖21所示晶體振盪器的平面視圖。
21‧‧‧共振元件
22‧‧‧差動緩衝放大器
C1、C2‧‧‧電容
C3、C4‧‧‧電容
I1‧‧‧電流源
I2、I3‧‧‧電流源
OUTPUT‧‧‧輸出端子
Q1、Q2‧‧‧電晶體
Q3、Q4‧‧‧電晶體
R1、R2‧‧‧負載電阻
R3、R4‧‧‧偏壓電阻
R6、R7、R8‧‧‧電阻
Vb‧‧‧偏壓電壓
Vcc‧‧‧電源電壓
Vcont‧‧‧控制電壓
VC1、VC2‧‧‧電壓控制可變電容
VC3、VC4‧‧‧電壓控制可變電容
X1、X2‧‧‧節點

Claims (9)

  1. 一種電壓控制振盪電路，用於連接至一共振元件，該電壓控制振盪電路包含：一第一節點和一第二節點，用於分別連接至該共振元件相對向的端部；一差動放大電路，包含：第一和第二輸入端子，其構成一對差動輸入端子；及第一和第二輸出端子，其構成一對差動輸出端子；第一和第二電壓控制可變電容，分別連接至該第一節點和該第二節點；第一和第二負載電容，分別連接至該第一和第二輸出端子；第一和第二隨耦器電路，例如射極隨耦器電路，分別連接至該第一和第二輸出端子；一第一回饋電容和一第三電壓控制可變電容，其串聯至該第一隨耦器電路的輸出端；及一第二回饋電容和一第四電壓控制可變電容，其串聯至該第二隨耦器電路的輸出端；其中該第一和第二節點係分別連接至該第一和第二輸入端子，該第一隨耦器電路的輸出訊號，經由該第一回饋電容和該第三電壓控制可變電容，回饋至該第二節點，該第二隨耦器電路的輸出訊號，經由該第二回饋電容和該第四電壓控制可變電容，回饋至該第一節點，且一控制電壓施加至該第一到第四電壓控制可變電容。
  2. 如申請專利範圍第1項的電壓控制振盪電路，更包含：一第三隨耦器電路，連接於該第一節點和該第一輸入端子之間；及一第四隨耦器電路，連接於該第二節點和該第二輸入端子之間。
  3. 如申請專利範圍第1項的電壓控制振盪電路，更包含：一第一可變分壓電路，具有數位可控制可變電容，且連接於該第一節點和該第一輸入端子之間；及一第二可變分壓電路，具有數位可控制可變電容，且連接於該第二節點和該第二輸入端子之間。
  4. 如申請專利範圍第2項的的電壓控制振盪電路，更包含：一第一可變分壓電路，其具有藉由數位控制訊號數位可控制之可變電容，且該第一可變分壓電路連接於該第一節點和該第三隨耦器電路的輸入端子之間；及一第二可變分壓電路，其具有藉由數位控制訊號數位可控制之可變電容，且該第二可變分壓電路連接於該第二節點和該第四隨耦器電路的輸入端子之間。
  5. 如申請專利範圍第1項的電壓控制振盪電路，其中該差動放大電路的電流源、分別連接至該第一和第二輸出端子的負載電阻、及該第一和第二負載電容每一者包含由數位控制訊號數位可控制之可變元件。
  6. 如申請專利範圍第4項的電壓控制振盪電路，更包含：一記憶體電路，由外部電路所供給的資料寫入該記憶體電路；及一控制器，基於在該記憶體電路中所寫入的資料，產生該數位控制訊號。
  7. 如申請專利範圍第1項的電壓控制振盪電路，其中該差動放大電路包含：第一和第二電晶體，分別具有共同連接之射極或集極；及電流源，連接至一接點，該接點係在共同連接之該射極或集極之間，該第一和第二電晶體的輸出端分別作為該第一和第二輸出端子，且該第一和第二電晶體的輸入端分別作為該第一和第二輸 入端子。
  8. 一種晶體振盪器，包含：一晶體元件；一IC晶片，其連接至該晶體元件；及一容器，容納該晶體元件及該IC晶片於其中；其中該IC晶片包含整合於其中的至少一電壓控制振盪電路，其連接至該晶體元件，且該電壓控制振盪電路包含：第一和第二節點，分別連結至該共振元件的相對向端部；一差動放大電路，包含：第一和第二輸入端子，其構成一對差動輸入端子；及第一和第二輸出端子，其構成一對差動輸出端子；第一和第二電壓控制可變電容，分別連接至該第一節點和該第二節點；第一和第二負載電容，分別連接至該第一和第二輸出端子；第一和第二隨耦器電路，分別連接至該第一和第二輸出端子；一第一回饋電容和一第三電壓控制可變電容，串聯至該第一隨耦器電路的輸出端子；一第二回饋電容和一第四電壓控制可變電容，串聯至該第二隨耦器電路的輸出端子；其中該第一和第二節點係分別連接至該第一和第二輸入端子，該第一隨耦器電路的輸出訊號經由該第一回饋電容及該第三電壓控制可變電容回饋至該第二節點，該第二隨耦器電路的輸出訊號經由該第二回饋電容及該第四電壓控制可變電容回饋至該第一節點，且一控制電壓施加至該第一到第四電壓控制可變電容。
  9. 如申請專利範圍第8項的晶體振盪器，其中該容器包含：一容 器本體，具有一凹部形成於其中；及一蓋件，封閉該凹部，且作為該晶體元件的一晶體坯和該IC晶片藉由該蓋件密封於該凹部。
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