TW201401762A - 降低振盪器相位雜訊的電路 - Google Patents

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Abstract

一種降低振盪器相位雜訊的電路,其包含一場效電晶體,一阻抗元件,所述阻抗元件跨接於上述場效電晶體的汲極以及閘極之間,一反向電路,所述反向電路連接於上述阻抗元件的一端,以及一相加電路,所述相加電路分別與上述反向電路以及阻抗元件未與反向電路連接的一端連接,進而將上述阻抗元件兩端的信號反向並疊加後輸出,進而產生消除相位雜訊的振盪訊號。

Description

降低振盪器相位雜訊的電路
本發明有關一種雜訊消除電路,尤指一種消除振盪器(oscillator)輸出訊號中之相位雜訊的雜訊消除電路。
壓控震盪器(vco)是一種以電壓輸入來控制振盪頻率的電子振盪電路,其振盪的頻率會隨著直流電壓的不同而改變。而壓控振盪器容易受到干擾而產生相位雜訊(phase Noise)。常見的干擾來源主要有1.電感-電容共振電路中電感的品質因素太小;2.主動元件MOS(Bipolar)以及電流源(Current Source)所產生的抖動雜訊(Flicker Noise)或熱雜訊(Thermal Noise);3.偏壓電源VDD/VSS中,由其他電路所產生的雜訊干擾。
現請參閱第一圖,於圖中所示為一習用之電感-電容共振電路,其包含一第一場效電晶體70,一第二場效電晶體71,所述第一場效電晶體70與第二場效電晶體71的閘極15分別與對方的汲極14電訊連接而形成交叉對17(Cross-Coupled)的形式,藉以產生負電阻並達到持續震盪的目的。而此時的振盪頻率是由螺旋電感72、變容二極體73以及電晶體的寄生元件所組成的總電感-電容決定。且由上述第一場效電晶體70以及第二場效電晶體71的汲極14所輸出的訊號彼此具有相同的波形與振幅,以及正好相反的相位。
然而一般螺旋電感72的品質因素約為5至12左右,且場效電晶體元件具有較高的雜訊,因而使此種電感-電容共振電路組合下所產生 的相位雜訊偏高,必須將其中的相位雜訊降低。
本發明之目的在於提供一種減低振盪器訊號中相位雜訊的雜訊消除電路。
為達上述目的,本發明包含一電晶體,一阻抗元件,所述阻抗元件跨接於上述電晶體的汲極以及閘極之間,一反向電路,所述反向電路連接於上述阻抗元件的一端,以及一相加電路,所述相加電路分別與上述反向電路以及阻抗元件未與反向電路連接的一端連接,進而將上述阻抗元件兩端的信號反向並疊加後輸出,進而產生消除相位雜訊的振盪訊號。
於一可行實施例中,該電晶體為場效電晶體。
在另一可行實施例中,該電晶體可為雙極性電晶體。
在一可行實施例中,本發明包含一第一場效電晶體,一第二場效電晶體,所述的第一場效電晶體與第二場效電晶體的閘極分別與對方的汲極相連而形成交叉對(Cross-Coupled),至少一阻抗元件,所述阻抗元件跨接於上述交叉對的汲極與閘極之間,至少一反向電路,所述反向電路一端連接於上述第一場效電晶體的閘極,以及一相加電路,所述相加電路分別與上述第一場效電晶體的汲極和反向電路相連,進而將上述第一場效電晶體在汲極與閘極處的信號反向並疊加後輸出,進而產生消除相位雜訊的振盪訊號。
為詳細說明本發明之技術內容、構造特徵、所達成目的及功效,以下茲舉例並配合圖式詳予說明。
現請參閱第二圖,圖中所示為本發明之雜訊消除電路示意圖,其中包含一場效電晶體(Field Effect Transistor,FET)10,但此僅用為方便舉例說明,並非加以限制,本發明所使用的電晶體亦可為雙極性電晶體(Bipolar Junction Transistor,BJT);在此一實施例中採用一N型場效電晶體11,所述N型場效電晶體11具有一汲極14,一閘極15以及一源極16。在所述汲極14以及閘極15之間跨接設有一阻抗元件20,在此一實施例中所述阻抗元件20設為一電阻22,並以上述N型場效電晶體11的閘極15處與振盪器(圖未示)連接,使振盪訊號由閘極15處進入本發明的雜訊消除電路中。此外,在上述閘極15處並連接設有一反向電路30,在此一實施例中上述反向電路設為一反向放大器31,而在汲極14處則設有一相加電路40,藉著上述反向放大器31將閘極15處的訊號連同雜訊一並反向放大後,輸出至上述相加電路40與汲極14處的訊號相加。
由於上述N型場效電晶體11以及跨接於汲極14與閘極15上的阻抗元件之作用,而使上述汲極14與閘極15處的訊號互為反相,且保持相位雜訊為同相位。則將汲極14與閘極15處的訊號以及雜訊經過反向放大後相加,便可使相位雜訊消除。然而,以上N型場效電晶體11以及電阻22之設置僅為方便說明之用,並非加以限制。亦即上述場效電晶體10亦可視實際使用需求而設置為P型場效電晶體,或使用雙極性電晶體,而上述阻抗元件可選自電感、電容、電阻之其中至少一種元件之組合構成。 本發明中有關雜訊電壓的進一步計算表示式如下:其中,放大器是gmi,所以,輸入阻抗,,及電壓增益,場效電晶體10的雜訊電流為I ni ,其在汲極14處的雜訊電流是αI ni ,0<α<1。其中雜訊電流的流向由汲極14→阻抗元件20→閘極15→Rs→0,因此雜訊電壓在汲極14與閘極15處為同相位,但訊號的電壓則為反相。故A VF 為一負值,因此能夠消除相位雜訊並放大輸入訊號。而在閘極15的雜訊電壓(V X,n,i )以及汲極14處的雜訊電壓(V Y,n,i )分別為V X,n,i =α(R S ,g mi ).I n,i R S V Y,n,i =α(R S ,g mi ).I n,i .(R S +R);則輸出雜訊(V OUT,n,i )為V OUT,n,i =V Y,n,i -V X,n,i A V =α(R S ,g mi ).I n,i (R+R S -A V R S );因此當輸出雜訊為0時,可推導出 因此為了使輸出雜訊電壓可完全消除,上述反向放大器31所需的電壓增益為,而;所以整個系統的電壓增益為;而雜訊因子(F)如下: F=1+EF MD +EF R +EF A ;其中,EF為過剩雜訊因子(Excess Noise Factor),MD為符合裝置(matching device),R為阻抗(resistor),A為放大器(amplifier),因此 A V 的雜訊消除為A V,C EF MD,C =0則 再請參閱第三圖,圖中所示為第一較佳實施例之電路示意圖,在此一較佳實施例中的振盪器50設為一電感-電容共振電路51。在所述電感-電容共振電路51中設有由一第一N型場效電晶體12以及一第二N型場效電晶體13組成的交叉對17;在上述交叉對17的汲極14與閘極15之間並跨接設有兩個串聯的電感21;此時上述電感21的內阻分別提供上述第一N型場效電晶體12以及第二N型場效電晶體13阻抗,因而產生阻抗元件20的效果並使上述交叉對17將雜訊放大且將原始訊號反相。而在上述第一N型場效電晶體12與第二N型場效電晶體13的閘極15處更分別連接設有一反向電路30,在此一實施例中的反向電路仍設為一反向放大器31,且將所述閘極15處輸出的訊號反相。此外,在上述兩N型場效電晶 體12、13的汲極14處分別連接設有一相加電路40,藉所述相加電路40將汲極14訊號與反向後的閘極15訊號相加,進而消除相位雜訊並同時放大振盪訊號。
再請參閱第四圖,圖中所示為本發明在第二較佳實施例中之電路示意圖,在此一較佳實施例中設有一振盪器50,一第一N型場效電晶體12與一第二N型場效電晶體13,上述第一N型場效電晶體12與第二N型場效電晶體13的汲極14分別與對方的閘極15相連而形成交叉對17,而在上述振盪器50與第一N型場效電晶體12和第二N型場效電晶體13的汲極14之間進一步設有由第一電阻63-第一電容61與第二電阻64-第二電容62所組成的第一高通濾波器60與第二高通濾波器601,藉以將振盪器50所輸出的訊號中之低頻雜訊予以抑制消除。且在上述交叉對17的汲極14與閘極15之間並跨接設有兩個串聯的電感21,藉所述電感21的內阻作為阻抗元件20使用,並提供上述交叉對17產生放大雜訊以及將原始訊號反相的效果。而在上述第一N型場效電晶體12與第二N型場效電晶體13的閘極15處更分別設有一第一反向放大器311與第二反向放大器312,使經過上述交叉對17之後被反相的振盪訊號以及被放大的雜訊再次反相;最後在上述振盪器50的輸出端則分別設有一第一源極隨偶器65以及第二源極隨偶器66以取得未經反相處理的雜訊以及振盪訊號,並將上述訊號疊加之後以消除雜訊。
現請參閱第五圖,圖中所示為本發明利用聯華電子CMOS 0.18um RF/MM的製程模型參數加上模擬驗證電路後的結果數據,從圖中可知,當電路設計在2.4GHz左右的頻率時,未裝設本發明雜訊消除電路時與載波頻率偏移100kHz時的相位雜訊大約為85dBc/Hz;而再加上本發明之雜訊 消除電路後可有效將相位雜訊降低至96dBc/Hz,由此可見本發明可以有效地消除相位雜訊。
再請參閱第六圖至第十圖,第六圖中所示為三級延遲細胞53(Delay cell)所組成的環形振盪器52(Ring Oscillator),第七圖為每一級延遲細胞53的樣本電路,由於環形振盪器52以及其延遲細胞53的架構並非本發明的重點,故在此不對其細部結構進行說明。
第八圖為本發明之雜訊消除電路之樣本電路,第九圖則為連上本發明之雜訊消除電路後的環形振盪器52之樣態。
在此一較佳施例中一第一N型場效電晶體12與一第二N型場效電晶體13,上述第一N型場效電晶體12與第二N型場效電晶體13的汲極14分別與對方的閘極15相連而形成交叉對17,而在上述第一N型場效電晶體12與第二N型場效電晶體13的汲極14與閘極15之間分別跨接設有一個電阻22,藉所述電阻22為阻抗元件20使用,並提供上述交叉對17產生放大雜訊以及將原始訊號反相的效果。而在上述第一N型場效電晶體12與第二N型場效電晶體13的閘極15處更分別設有一第一反向放大器311與第二反向放大器312,使經過上述交叉對17之後被反相的振盪訊號以及被放大的雜訊再次反相;最後將上述第一N型場效電晶體12與第二N型場效電晶體13的汲極14處訊號直接與上述第一反向放大器311及第二反向放大器312反向後的訊號疊加以消除雜訊。
而雜訊抑制的結果數據如第十圖所示,由圖中可知未裝設本發明雜訊消除電路時的相位雜訊大約為-79.8dBc/Hz@100kHz;而再加上本發明之雜訊消除電路後可有效將相位雜訊降低至-86.76dBc/Hz@100kHz。
綜上所述,本發明藉由場效電晶體將訊號反相的效果,搭配連接於上述場效電晶體汲極與閘極之間的阻抗元件,可有效的以少量元件達成不影響雜訊之下將振盪訊號反相的效果。再利用一反向電路以及一相加電路,將原始振盪訊號以及反向後的振盪訊號反向相加,進而達成消除相位雜訊的功效。
10‧‧‧場效電晶體
11‧‧‧N型場效電晶體
12‧‧‧第一N型場效電晶體
13‧‧‧第二N型場效電晶體
14‧‧‧汲極
15‧‧‧閘極
16‧‧‧源極
17‧‧‧交叉對
20‧‧‧阻抗元件
21‧‧‧電感
22‧‧‧電阻
30‧‧‧反向電路
31‧‧‧反向放大器
311‧‧‧第一反向放大器
312‧‧‧第二反向放大器
40‧‧‧相加電路
50‧‧‧振盪器
51‧‧‧電感-電容共振電路
52‧‧‧環形振盪器
53‧‧‧延遲細胞
60‧‧‧第一高通濾波器
601‧‧‧第二高通濾波器
61‧‧‧第一電容
62‧‧‧第二電容
63‧‧‧第一電阻
64‧‧‧第二電阻
65‧‧‧第一源極隨偶器
66‧‧‧第二源極隨偶器
70‧‧‧第一場效電晶體
71‧‧‧第二場效電晶體
72‧‧‧螺旋電容
73‧‧‧變容二極體
第一圖係習用習用之電感-電容共振電路之樣本電路圖;第二圖係本發明一可行實施例之樣本電路圖;第三圖係於第一可行實施例中將本發明與振盪器連結之樣本電路圖;第四圖係於第二可行實施例中將本發明與振盪器連結之樣本電路圖;第五圖係第二可行實施例中消除雜訊之結果數據圖;第六圖係於第三可行實施例中環形振盪器之樣本電路圖;第七圖係於第三可行實施例中延遲細胞之單元樣本電路圖;第八圖係於第三可行實施例中本發明與延遲細胞連結之樣本電路圖;第九圖係於第三可行實施例中本發明與環形振盪器連結之樣本電路圖;以及第十圖係第三可行實施例中消除雜訊之結果數據圖。
10‧‧‧場效電晶體
11‧‧‧N型場效電晶體
14‧‧‧汲極
15‧‧‧閘極
16‧‧‧源極
20‧‧‧阻抗元件
22‧‧‧電阻
30‧‧‧反向電路
31‧‧‧反向放大器
40‧‧‧相加電路

Claims (10)

  1. 一種降低振盪器相位雜訊的電路,其包含一電晶體,一阻抗元件,所述阻抗元件跨接於上述場效電晶體的汲極以及閘極之間,一反向電路,所述反向電路連接於上述阻抗元件的一端,以及一相加電路,所述相加電路分別與上述反向電路以及阻抗元件未與反向電路連接的一端連接,進而將上述阻抗元件兩端的信號反向並疊加後輸出,進而產生消除相位雜訊的振盪訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之降低震盪器相位雜訊的電路,其中,所述電晶體為場效電晶體。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之降低振盪器相位雜訊的電路,其中,上述場效電晶體為一N型場效電晶體。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之降低振盪器相位雜訊的電路,其中,上述場效電晶體為一P型場效電晶體。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之降低振盪器相位雜訊的電路,其中,上述阻抗元件為電感,電容或電阻其中至少一種之組合。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之降低震盪器相位雜訊的電路,其中,所述電晶體為雙極性電晶體。
  7. 一種降低振盪器相位雜訊的電路,其包含一第一場效電晶體,一第二場效電晶體,所述的第一場效電晶體與第二場效電晶體的閘極分別與對方的汲極相連而形成交叉對(Cross-Coupled),至少一阻抗元件,所述阻抗元件跨接於上述交叉對的汲極與閘極之間,至少一反向電路,所述反向電路一端連接於上述第一場效電晶體的閘極,以及一相加電路,所述相加電路分別與上述第一場效電晶體的汲極和反向電路相連,進而將上述第一場效電晶體在汲極與閘極處的信號反向並疊加後輸出,進而產生消除相位雜訊的振盪訊號。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之降低振盪器相位雜訊的電路,其中,上述第一場效電晶體與第二場效電晶體均為N型場效電晶體。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之降低振盪器相位雜訊的電路,其中,上述第一場效電晶體與第二場效電晶體均為P型場效電晶體。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之降低振盪器項為雜訊的電路,其中,上述阻抗元件為電感,電容或電阻其中至少一種之組合。
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