TW201328168A - 壓控震盪器 - Google Patents

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Zhe-Yang Huang
Chung-Chih Hung
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Ind Tech Res Inst
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Abstract

一種壓控震盪器，包括一電感電路、一N型交錯耦合對、以及一P型交錯耦合對。該電感電路包括兩個堆疊的電感線圈，產生一對差動震盪訊號。該N型交錯耦合對串連耦接上述電感電路，藉由該對差動震盪訊號而產生一第一2倍頻震盪訊號。該P型交錯耦合對串連耦接上述電感電路，藉由該對差動震盪訊號而產生一第二2倍頻震盪訊號。該第一及該第二2倍頻震盪訊號兩者頻率大致相同並且兩者頻率係為反相；以及該第一及該第二2倍頻震盪訊號之頻率大致為該一對差動震盪訊號之頻率的兩倍。

Description

壓控震盪器
本發明係有關於電子電路，且特別有關於適用壓控震盪器(Voltage Controlled Oscillator)。
隨著近年來無線通訊的發展，使用高頻頻率的傳輸訊號以及其應用隨之增多，例如無線個人區域網路(Wireless Personal Area Network，WPAN)利用57.24GHz和65.88GHz範圍之間的高頻進行訊號傳輸。近年來，CMOS技術的成熟使得CMOS技術成為高頻微波電路應用的好選擇。
有鑑於此，本發明提供一種壓控震盪器以解決前述問題。
本發明實施例之一種壓控震盪器，包括一電感電路、一N型交錯耦合對、以及一P型交錯耦合對。該電感電路產生一對差動震盪訊號。該N型交錯耦合對串連耦接上述電感電路，藉由該對差動震盪訊號而產生一第一2倍頻震盪訊號。該P型交錯耦合對串連耦接上述電感電路，藉由該對差動震盪訊號而產生一第二2倍頻震盪訊號。該第一及該第二2倍頻震盪訊號兩者頻率大致相同並且兩者頻率係為反相；以及該第一及該第二2倍頻震盪訊號之頻率大致為該一對差動震盪訊號之頻率的兩倍。
本發明實施例之另一種壓控震盪器，包括一電感電路以及一N型交錯耦合對。該電感電路包括兩個堆疊的電感線圈，藉由該對差動震盪訊號而產生一對差動震盪訊號。該N型交錯耦合對串連耦接上述電感電路，產生一第一2倍頻震盪訊號。該第一2倍頻震盪訊號之頻率大致為該一對差動震盪訊號之頻率的兩倍。
本發明實施例之另一種壓控震盪器，包括一電感電路、一N型交錯耦合對、以及一P型交錯耦合對。該電感電路包括兩個堆疊的電感線圈，產生一對差動震盪訊號。該N型交錯耦合對串連耦接上述電感電路，藉由該對差動震盪訊號而產生一第一2倍頻震盪訊號。該P型交錯耦合對串連耦接上述電感電路，藉由該對差動震盪訊號而產生一第二2倍頻震盪訊號。該第一及該第二2倍頻震盪訊號兩者頻率大致相同並且兩者頻率係為反相；以及該第一及該第二2倍頻震盪訊號之頻率大致為該一對差動震盪訊號之頻率的兩倍。
為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式，詳細說明如下。
第1圖係顯示適用本發明之接收器1的方塊圖，包括天線100、低雜訊放大器(Low Noise Amplifier，以下稱為LNA)102、解調變器104、帶通濾波器106、壓控震盪器108、除頻器110、以及PLL電路112。天線100順序耦接至LNA102、解調變器104、帶通濾波器106。壓控震盪器108、除頻器110、以及相位鎖定迴圈(Phase Locked Loop，以下稱為PLL)電路112順序耦接形成一迴圈，並且壓控震盪器108耦接解調變器104。
在天線100從空氣介面偵測到射頻輸入訊號Sin後，LNA102進行訊號放大，解調變器104利用一解調變訊號S2f對放大訊號解調變，並且在經過帶通濾波器106濾掉雜訊後而產生中頻或基頻輸出訊號Sout。因為輸入訊號Sin的頻率可以很高，例如60GHz，產生解調變訊號S2f的壓控震盪器108可以先產生一個較低的頻率，例如24GHz，而後在藉由一倍頻裝置1082將上述較低頻率訊號進行倍頻以產生較高頻率訊號S2f，例如48GHz。在這裡所舉出的實施例中，第一次解調變後剩餘的12 GHz訊號Sout可以再次藉由一12GHz(未圖示)的震盪訊號而降頻至基頻頻帶。
目前許多通訊、網路以及其他傳送標準都使用正交頻分複用技術(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，以下稱為OFDM)以及差動(differential)技術，因此訊號傳送器或接收器都需要相差90度的正交訊號或180度的差動訊號。本發明提出一種壓控震盪電路108，具有雙向或正交輸出，不需外加電路，搭配磁力耦合電感的雜訊相消技術，具有提昇的壓控震盪器特性。
第2圖係顯示適用本發明實施例之壓控放大器2的電路圖，包括一LC震盪器(電感電路)200、一NMOS交錯耦合對(N型交錯耦合對)202、緩衝器204、206及208、以及電流源210及212。該壓控放大器2可用於第1圖的接收器1中。LC震盪器200串連耦合NMOS交錯耦合對202，並且藉由LC震盪器200輸出之一對一倍頻差動震盪訊號Sf1和Sf2而產生一二倍頻震盪訊號S2f。上述一倍頻差動震盪訊號Sf1和Sf2具有相互反相的相位，並且該二倍頻震盪訊號S2f的頻率大致上為為該一倍頻差動震盪訊號Sf1和Sf2的兩倍。例如，一倍頻差動震盪訊號Sf1和Sf2具有24GHz的頻率，而二倍頻震盪訊號S2f具有48GHz的頻率。一倍頻差動震盪訊號Sf1和Sf2以及二倍頻震盪訊號S2f適用於調變或解調變傳送器或接收器中接收或所欲傳出之訊號。
上述LC震盪器200包括兩個堆疊的電感線圈L1及L2，其藉由磁力相互耦合(magnetically coupled)使得其兩者之磁通量可以相互結合而產生增加電感值的效果。和單獨的電感線圈相比，上述磁力耦合之電感線圈L1及L2可以增加電感線圈L1及L2的品質因子(quality factor，Q factor)，使得可用品質因子的頻寬更寬，並且具有雜訊相消的特性，可以達到雜訊抑制的效果。在一些實施例中，壓控放大器2在積體電路上面實現，上述兩個電感線圈L1及L2則佔據積體電路上大致相同的範圍，並且在上述積體電路的不同層上實現。例如，電感線圈L1佔據積體電路的第5、6層並且電感線圈L2佔據積體電路的第4、5層，電感線圈L1及L2以互相纏繞的方式堆疊在一起。在其他例子中，電感線圈L1佔據積體電路的第6層並且電感線圈L2佔據積體電路的第5層，電感線圈L1及L2堆疊在一起，並且電感線圈L1大致位於電感線圈L2的正上方。在一些實施例中電感線圈L1及L2係以螺旋狀微帶線(microstrip)的方式實現。在一些實施例中，電感線圈L1及L2可以具有相同的電感值以及相同圈數。在另一些實施例中，電感線圈L1及L2可以具有不同的電感值以及不同圈數。
LC震盪器200另外包括可變式電容C1、C2、C3及C4，可以藉由調整訊號Vtune1及Vtune2而調整電容C1、C2、C3及C4的電容值，進而改變LC震盪器200之LC共振頻率，使得產生的震盪訊號之頻率落在通訊通道的中央頻率上。在一些實施例中，可變式電容C1、C2、C3及C4可以使用傳輸閘(pass-gate)、MOS可變電容或二極體可變電容(varactor diode)實現。該LC共振頻率由LC震盪器200中電感線圈之電感值以及可變式電容之電容所決定，並且為該一倍頻差動震盪訊號Sf1和Sf2的頻率。因為實際上的LC震盪器200具有內有的寄生損耗，所以LC震盪器200內的能量會因為上述寄生損耗而逐漸減少，因此在壓控放大器2中加入NMOS交錯耦合對202藉以提供一穩定的功率至該LC震盪器200，使得LC震盪器200可以維持頻率震盪。
NMOS交錯耦合對202可包括兩個交錯耦合的NMOS電晶體M1及M2。NMOS交錯耦合對202提供(小信號)負阻抗藉以和LC震盪器200的阻抗相互抵消。另外，NMOS交錯耦合對202也產生二倍頻震盪訊號S2f，其頻率係一倍頻差動震盪訊號Sf1和Sf2之頻率的兩倍。NMOS交錯耦合對202具有負的轉導值(transconductance)，其藉由相等負組抗而抵消LC震盪器200的寄生阻抗，進而補償LC震盪器200的損耗。
在一些實施例中，壓控放大器2可更包括一PMOS交錯耦合對(P型交錯耦合對)(未圖示)。上述PMOS交錯耦合對串連耦接至上述LC震盪器200，並且根據一倍頻差動震盪訊號Sf1和Sf2產生一第二2倍頻震盪訊號。第二2倍頻震盪訊號和該二倍頻震盪訊號S2f具有大致相反的相位。當上述PMOS交錯耦合對202之每個PMOS的元件大小大致上係上述NMOS交錯耦合對之每個NMOS元件大小的5到7倍時，壓控放大器2可達到最佳化，其產生之震盪訊號內之雜訊可以減少。
偏壓電流源210和212可提供LC震盪器200及NMOS交錯耦合對202固定的偏壓電流，進而影響輸出的震盪訊號Sf1、Sf2及S2f之輸出功率及相位雜訊。偏壓電流源210和212可藉由MOS電晶體實現。
緩衝器204、206及208分別接收並且加強LC震盪器200及NMOS交錯耦合對202所產生的震盪訊號，經過濾波電容Cb而各自產生一倍頻差動震盪訊號Sf1和Sf2以及二倍頻震盪訊號S2f。
第2圖之實施例使用兩個堆疊在一起的磁力耦合電感，可以產生雜訊相消效果，增加品質因子以及可用頻寬，而提昇壓控震盪器的特性。
第3圖係顯示適用本發明實施例之壓控放大器3的電路圖，包括一PMOS交錯耦合對(P型交錯耦合對)300、一LC震盪器(電感電路)302、一NMOS交錯耦合對(N型交錯耦合對)304、緩衝器310、312、314及316、以及電流源306及308。PMOS交錯耦合對300串連耦接至LC震盪器302，其接著串連耦接至NMOS交錯耦合對304。LC震盪器302串連耦合PMOS交錯耦合對300以及NMOS交錯耦合對304，並且藉由LC震盪器300輸出之一對一倍頻差動震盪訊號Sf1和Sf2而產生第一以及第二二倍頻震盪訊號S2f1、S2f2。第一以及第二二倍頻震盪訊號S2f1、S2f2兩者之頻率大致相同，其相位大致為反相(out-df-phase)關係，並且其頻率大致為一倍頻差動震盪訊號Sf1和Sf2之頻率的兩倍。
PMOS交錯耦合對300和NMOS交錯耦合對304的電路連接和運作和第2圖所述之PMOS交錯耦合對和NMOS交錯耦合對304相同，緩衝器310、312、314及316和緩衝器204、206及208相同，電流源306及308和電流源210及212相同，相關描述可以參考前述段落，在此不再重複。
LC震盪器302可為任何可產生震盪訊號之電路，可以包括電感、電容、或電阻。在一些實施例中，LC震盪器302包括該一電感，其跨接PMOS交錯耦合對M3和M4以及PMOS交錯耦合對M1和M2。在另一些實施例中，LC震盪器302包括該兩個電感，兩者皆跨接PMOS交錯耦合對M3和M4以及PMOS交錯耦合對M1和M2。該兩個電感的實現以及運作可以參考第2圖中關於電感L1及L2的說明。在另外一些實施例中，LC震盪器302包括該兩個電感，兩者分別串接電晶體M3和M1以及電晶體M4和M2。在另外一些實施例中，LC震盪器302包括一或多個可變電容，藉以調整LC震盪器302的LC共振頻率。該可變電容的實現以及運作可以參考第2圖中電容C1、C2、C3及C4的說明。
第3圖之實施例使用二倍頻壓控震盪電路並且有雙向輸出，不需外加電路，搭配磁力耦合電感的雜訊相消技術，可提昇壓控震盪器的特性。
第4圖係顯示適用本發明實施例之壓控放大器4的電路圖，包括一PMOS交錯耦合對(P型交錯耦合對)300、一LC震盪器(電感電路)402、一NMOS交錯耦合對(N型交錯耦合對)404、緩衝器410、412、414及416、以及電流源406及408。PMOS交錯耦合對400串連耦接至LC震盪器402，其接著串連耦接至NMOS交錯耦合對404。LC震盪器402串連耦合PMOS交錯耦合對400以及NMOS交錯耦合對404，並且藉由LC震盪器400輸出之一對一倍頻差動震盪訊號Sf1和Sf2而產生第一以及第二二倍頻震盪訊號S2f1、S2f2。第一以及第二二倍頻震盪訊號S2f1、S2f2兩者之頻率大致相同，其相位大致為反相(out-of-phase)關係，並且其頻率大致為一倍頻差動震盪訊號Sf1和Sf2之頻率的兩倍。
LC震盪器402和LC震盪器200相同，PMOS交錯耦合對400和NMOS交錯耦合對404的電路連接和運作和第2圖所述之PMOS交錯耦合對和NMOS交錯耦合對404相同，緩衝器410、412、414及416和緩衝器204、206及208相同，電流源406及408和電流源210及212相同，相關描述可以參考前述段落，在此不再重複。
第4圖之實施例使用二倍頻壓控震盪電路並且有雙向輸出，不需外加電路，搭配磁力耦合電感的雜訊相消技術，可提昇壓控震盪器的特性。
本發明描述之各種邏輯區塊、模組、以及電路的操作以及功能可以利用電路硬體或嵌入式軟體碼加以實現，該嵌入式軟體碼可以由一處理器存取以及執行。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟悉此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
102．．．LNA
108．．．壓控震盪器
112．．．PLL電路
200．．．LC震盪器
202．．．NMOS交錯耦合對
300．．．PMOS交錯耦合對
302．．．LC震盪器
304．．．NMOS交錯耦合對
400．．．PMOS交錯耦合對
402．．．LC震盪器
404．．．NMOS交錯耦合對
第1圖係顯示適用本發明之接收器1的方塊圖。
第2圖係顯示適用本發明實施例之壓控放大器2的電路圖。
第3圖係顯示適用本發明實施例之壓控放大器3的電路圖。
第4圖係顯示適用本發明實施例之壓控放大器4的電路圖。
400．．．PMOS交錯耦合對
402．．．LC震盪器
404．．．NMOS交錯耦合對

Claims (20)

  1. 一種壓控震盪器，包括：一電感電路，產生一對差動震盪訊號；一N型交錯耦合對，串連耦接上述電感電路，藉由該對差動震盪訊號而產生一第一2倍頻震盪訊號；以及一P型交錯耦合對，串連耦接上述電感電路，藉由該對差動震盪訊號而產生一第二2倍頻震盪訊號；其中，該第一及該第二2倍頻震盪訊號兩者頻率大致相同並且兩者頻率係為反相；以及該第一及該第二2倍頻震盪訊號之頻率大致為該一對差動震盪訊號之頻率的兩倍。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之壓控震盪器，其中，該電感電路包括兩個電感線圈，該兩個電感線圈藉由磁力相互耦合。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之壓控震盪器，其中，該電感電路包括兩個電感線圈，該兩個電感線圈堆疊在一起。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之壓控震盪器，其中，該電感電路包括一可變電容，藉以改變該對差動震盪訊號的頻率。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之壓控震盪器，其中，上述P型交錯耦合對之一元件大小大致上係上述N型交錯耦合對之一元件大小的5到7倍。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之壓控震盪器，更包括：一第一電晶體，對該N型交錯耦合對提供一第一偏壓電流以產生該第一2倍頻震盪訊號；以及一第二電晶體，對該N型交錯耦合對提供一第二偏壓電流以產生該第二2倍頻震盪訊號。
  7. 一種壓控震盪器，包括：一電感電路，包括兩個堆疊的電感線圈，產生一對差動震盪訊號；以及一N型交錯耦合對，串連耦接上述電感電路，藉由該對差動震盪訊號而產生一第一2倍頻震盪訊號；其中，該第一2倍頻震盪訊號之頻率大致為該一對差動震盪訊號之頻率的兩倍。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之壓控震盪器，其中，該兩個電感線圈藉由磁力相互耦合。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之壓控震盪器，其中，該兩個電感線圈佔據積體電路上大致相同的範圍，並且在該積體電路的不同層上實現。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之壓控震盪器，其中，該電感電路包括一可變電容，藉以改變該對差動震盪訊號的頻率。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之壓控震盪器，更包括：一P型交錯耦合對，串連耦接上述電感電路，藉由該對差動震盪訊號產生一第二2倍頻震盪訊號；其中，該第一及該第二2倍頻震盪訊號兩者頻率大致相同並且兩者頻率係為反相。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之壓控震盪器，其中，上述N型交錯耦合對之一元件大小超過上述P型交錯耦合對之一元件大小。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之壓控震盪器，其中，上述P型交錯耦合對之一元件大小大致上係上述N型交錯耦合對之一元件大小的5到7倍。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之壓控震盪器，更包括：一第一電晶體，對該N型交錯耦合對提供一第一偏壓電流以產生該第一2倍頻震盪訊號；以及一第二電晶體，對該N型交錯耦合對提供一第二偏壓電流以產生該第二2倍頻震盪訊號。
  15. 一種壓控震盪器，包括：一電感電路，包括兩個堆疊的電感線圈，產生一對差動震盪訊號；一N型交錯耦合對，串連耦接上述電感電路，藉由該對差動震盪訊號而產生一第一2倍頻震盪訊號；以及一P型交錯耦合對，串連耦接上述電感電路，藉由該對差動震盪訊號而產生一第二2倍頻震盪訊號；其中，該第一及該第二2倍頻震盪訊號兩者頻率大致相同並且兩者頻率係為反相；以及該第一及該第二2倍頻震盪訊號之頻率大致為該一對差動震盪訊號之頻率的兩倍。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之壓控震盪器，其中，該兩個電感線圈藉由磁力相互耦合。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之壓控震盪器，其中，該電感電路包括一可變電容，藉以改變該對差動震盪訊號的頻率。
  18. 如申請專利範圍第15項所述之壓控震盪器，其中，上述P型交錯耦合對之一元件大小大致上係上述N型交錯耦合對之一元件大小的5到7倍。
  19. 如申請專利範圍第15項所述之壓控震盪器，更包括：一第一電晶體，對該N型交錯耦合對提供一第一偏壓電流以產生該第一2倍頻震盪訊號；以及一第二電晶體，對該N型交錯耦合對提供一第二偏壓電流以產生該第二2倍頻震盪訊號。
  20. 如申請專利範圍第15項所述之壓控震盪器，其中，該兩個電感線圈佔據積體電路上大致相同的範圍，並且在該積體電路的不同層上實現。
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