TW201427268A - 可提高迴路增益之電壓控制震盪器 - Google Patents

可提高迴路增益之電壓控制震盪器 Download PDF

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Abstract

本發明為一種可提高迴路增益之電壓控制震盪器，至少包括：一第一電晶體、一第二電晶體、一電感、一第三電晶體、一第四電晶體以及至少一增益電路，而該增益電路包括：一第五電晶體、一第六電晶體、一第七電晶體以及一第八電晶體。藉由該增益電路的設置，本發明可在延伸（向下）操作頻率範圍的同時，不需要額外電路，即可提升迴路增益，減輕對功率消耗的需求。

Description

可提高迴路增益之電壓控制震盪器
本發明係一種可提高迴路增益之電壓控制震盪器，尤指一種可在延伸（向下）操作頻率範圍的同時，不需要額外電路，即可提升迴路增益，減輕對功率消耗的需求之電壓控制震盪器。
電壓控制震盪器（voltage-controlled oscillator, VCO），係以電壓輸入作為控制震盪頻率之電子電路，其震盪的頻率將會根據直流電壓的不同而隨之改變，藉由這個特性，可以將調變信號作為電壓控制震盪器之輸入來產生不同的調變訊號。
而其中，LC諧振（LC-Tank）震盪器相較於其他電壓控制震盪器架構，具有低雜訊、低功耗、震盪頻率高等優點，廣泛的使用於CMOS RFIC電路。然而，由於需使用被動式電感元件，因此通常需要較大的面積，且由於使用電感共振的方式，也間接限制可操作的震盪頻率範圍．因此在設計寬頻LC-Tank VCO時，其中一項會遭遇到的困難，是VCO起振條件在低頻時將會大幅增加，也就是對於迴路增益（Loop Gain）的需求大增，而增加迴路增益也代表著功率消耗的增加。
是以，要如何解決上述習用之問題與缺失，即為本發明之發明人與從事此行業之相關廠商所亟欲研究改善之方向所在者。
故，本發明之發明人有鑑於上述缺失，乃搜集相關資料，經由多方評估及考量，並以從事於此行業累積之多年經驗，經由不斷試作及修改，始設計出此種發明專利者。
本發明之主要目的在於提供一種可提高迴路增益之電壓控制震盪器。
為了達到上述之目的，本發明一種可提高迴路增益之電壓控制震盪器，至少包括：
一第一電晶體，包括一第一端、一第二端以及一第三端；
一第二電晶體，包括一第一端、一第二端以及一第三端，該第一端連接於該第一電晶體之第一端，該第二端連接於該第一電晶體之第三端，該第三端連接於該第一電晶體之第二端；
一電感，包括一第一端以及一第二端，該第一端連接於該第一電晶體之第三端與第二電晶體之第二端，該第二端連接於該第一電晶體之第二端與第二電晶體之第三端；
一第三電晶體，包括一第一端、一第二端以及一第三端，該第二端連接於該電感之第二端，該第三端連接於該電感之第一端；
一第四電晶體，包括一第一端、一第二端以及一第三端，該第一端連接於該第三電晶體之第一端，該第二端連接於該第三電晶體之第三端，該第三端連接於該第三電晶體之第二端；以及
至少一增益電路，包括：
　　一第五電晶體，包括一第一端、一第二端以及一第三端，該第三端連接於該電感之第一端；
　　一第六電晶體，包括一第一端、一第二端以及一第三端，該第一端連接於該第五電晶體之第一端，該第二端連接於該第五電晶體之第三端，該第三端連接於該第五電晶體之第二端以及該電感之第二端；
　　一第七電晶體，包括一第一端、一第二端以及一第三端，該第三端連接於該電感之第一端；以及
　　一第八電晶體，包括一第一端、一第二端以及一第三端，該第一端連接於該第七電晶體之第一端，該第二端連接於該第七電晶體之第三端，該第三端連接於該第七電晶體之第二端以及該電感之第二端。
　　在一較佳實施例中，該第一電晶體、該第二電晶體、該第五電晶體以及該第六電晶體係為NMOS 電晶體。
在一較佳實施例中，該第三電晶體、該第四電晶體、該第七電晶體以及該第八電晶體係為PMOS 電晶體。
在一較佳實施例中，該可提高迴路增益之電壓控制震盪器，更包括：至少一第一電容，包括一第一端以及一第二端，該第一端連接於該電感之第一端，該第二端連接於該電感之第二端。
在一較佳實施例中，該可提高迴路增益之電壓控制震盪器，更包括：至少一第二電容，包括一第一端以及一第二端，該第一端連接於該電感之第一端，該第二端連接於該電感之第二端。
本發明主要目的為增加操作頻率範圍，同時維持迴路增益，因此藉由該增益電路之該第五電晶體、第六電晶體、第七電晶體以及第八電晶體，來維持震盪條件所需之迴路增益，也因為該第五電晶體、第六電晶體、第七電晶體以及第八電晶體本身既有的寄生雜散電容，當切換使用較多的電晶體時，也同時增加了迴路內的電容值，實現了將操作頻率向下擴展與增加迴路增益的雙效果，既可節省電容的面積，同時也維持了震盪條件所需的迴路增益。
為達成上述目的及功效，本發明所採用之技術手段及構造，茲繪圖就本發明較佳實施例詳加說明其特徵與功能如下，俾利完全了解。
請參閱第一圖所示，係為本發明較佳實施例之電路圖，由圖中可清楚看出，本發明一種可提高迴路增益之電壓控制震盪器1，至少包括：一第一電晶體11、一第二電晶體12、一電感15、一第三電晶體13、一第四電晶體14以及至少一增益電路2。
該第一電晶體11包括一第一端、一第二端以及一第三端，其中，該第一端為源極（Source），該第二端為閘極（Gate）以及該第三端為汲極（Drain）。
該第二電晶體12包括一第一端、一第二端以及一第三端，該第一端連接於該第一電晶體11之第一端，該第二端連接於該第一電晶體11之第三端，該第三端連接於該第一電晶體11之第二端，其中，該第一端為源極（Source），該第二端為閘極（Gate）以及該第三端為汲極（Drain）。
該電感15包括一第一端以及一第二端，該第一端連接於該第一電晶體11之第三端與第二電晶體12之第二端，該第二端連接於該第一電晶體11之第二端與第二電晶體12之第三端。
該第三電晶體13包括一第一端、一第二端以及一第三端，該第二端連接於該電感15之第二端，該第三端連接於該電感15之第一端，其中，該第一端為源極（Source），該第二端為閘極（Gate）以及該第三端為汲極（Drain）。
該第四電晶體14包括一第一端、一第二端以及一第三端，該第一端連接於該第三電晶體13之第一端，該第二端連接於該第三電晶體13之第三端，該第三端連接於該第三電晶體13之第二端，其中，該第一端為源極（Source），該第二端為閘極（Gate）以及該第三端為汲極（Drain）。
於本實施例中，該第一電晶體11、該第二電晶體12、該第五電晶體21以及該第六電晶體22係為NMOS 電晶體；以及該第三電晶體13、該第四電晶體14、該第七電晶體23以及該第八電晶體24係為PMOS 電晶體。
該增益電路2包括：一第五電晶體21、一第六電晶體22、一第七電晶體23以及一第八電晶體24。
該第五電晶體21包括一第一端、一第二端以及一第三端，該第三端連接於該電感15之第一端，其中，該第一端為源極（Source），該第二端為閘極（Gate）以及該第三端為汲極（Drain）。
該第六電晶體22包括一第一端、一第二端以及一第三端，該第一端連接於該第五電晶體21之第一端，該第二端連接於該第五電晶體21之第三端，該第三端連接於該第五電晶體21之第二端以及該電感15之第二端，其中，該第一端為源極（Source），該第二端為閘極（Gate）以及該第三端為汲極（Drain）。
該第七電晶體23包括一第一端、一第二端以及一第三端，該第三端連接於該電感15之第一端，其中，該第一端為源極（Source），該第二端為閘極（Gate）以及該第三端為汲極（Drain）。
該第八電晶體24包括一第一端、一第二端以及一第三端，該第一端連接於該第七電晶體23之第一端，該第二端連接於該第七電晶體23之第三端，該第三端連接於該第七電晶體23之第二端以及該電感15之第二端，其中，該第一端為源極（Source），該第二端為閘極（Gate）以及該第三端為汲極（Drain）。
再者，本發明之可提高迴路增益之電壓控制震盪器1，更包括至少一第一電容16以及至少一第二電容17。
該第一電容16包括一第一端以及一第二端，該第一端連接於該電感15之第一端，該第二端連接於該電感15之第二端，該第一電容16為可切換電容（Switched Capacitor）以完成粗調震盪頻率。
該第二電容17包括一第一端以及一第二端，該第一端連接於該電感15之第一端，該第二端連接於該電感15之第二端，該第二電容17為壓控電容（Varactor）來控制細部震盪頻率。
茲藉由前述組成，說明本發明之操作情形原理如下：
本實施例係以組成電晶體交連耦合對（cross-coupled pair）來產生正回授，進一步說明，係由該第一電晶體11與該第二電晶體12之NMOS 電晶體以及該第三電晶體13與該第四電晶體14之PMOS 電晶體所共同組成互補電晶體交連耦合對（complementary cross-coupled pair），運用電晶體交連耦合對所產生負電阻的特性，以補償諧振電路所產生的耗損。
其中電容部分，第一電容16為可切換電容（Switched Capacitor）以完成粗調震盪頻率，於本實施例中係設置為兩個，該第二電容17為壓控電容（Varactor）來控制細部震盪頻率，於本實施例中係設置為兩個，其中，切換電容可連接有一開關（圖中未示）以粗調震盪頻率。
而由於切換電容的開關，在關上時也會有部分寄生雜散電容產生，因此切換電容整體電容值在開與關之間的差值，將會有一定限制，也進一步限制可切換的頻率範圍．同時，當頻率越低時，由於電感15電容共振點距離最佳操作頻率越來越遠，使得電感15必須操作在品質係數（Quality Factor）較低的區間，因此需要更高的迴路增益來維持震盪條件．本發明主要目的為增加操作頻率範圍，同時維持迴路增益，因此利用增加的增益電路2，藉由增益電路2之該第五電晶體21、第六電晶體22、第七電晶體23以及第八電晶體24，來維持震盪條件所需之迴路增益，也因為該第五電晶體21、第六電晶體22、第七電晶體23以及第八電晶體24（NMOS/PMOS）本身既有的寄生雜散電容，當切換使用較多的NMOS/PMOS時，也同時增加了迴路內的電容值，實現了將操作頻率向下擴展與增加迴路增益的雙效果，既可節省切換電容的面積，同時也維持了震盪條件所需的迴路增益。
需要特別說明的是，本發明之該第一電容16以及該第二電容17並非為必要元件，於本發明中，利用該第五電晶體21、第六電晶體22、第七電晶體23以及第八電晶體24本身既有的寄生雜散電容即可作為本發明電路中所需要之電容值。而由圖中也可清楚看出，於本實施例中，若連接了三組增益電路2即等同於連接三組電容20。
請參閱第二圖與第三圖所示，係為本發明較佳實施例之實驗圖表一與二，由圖中可清楚看出，為利用此本發明所模擬之VCO震盪頻率對控制電壓做圖，在不同的切換電容與切換Gm組合下之最終結果，實際可用頻率範圍可從最高3.124GHz向下延伸至1.46GHz，整體可用範圍（Tuning Range）可擴展至高達72.6%，成功實現此電路技巧之優勢．
請參閱全部附圖所示，相較於習用技術，本發明具有以下優點：
本發明提出新的電路實現技巧，可在延伸（向下）操作頻率範圍的同時，不需要額外電路，即可提升迴路增益，減輕對功率消耗的需求。
透過上述之詳細說明，即可充分顯示本發明之目的及功效上均具有實施之進步性，極具產業之利用性價值，且為目前市面上前所未見之新發明，完全符合發明專利要件，爰依法提出申請。唯以上所述著僅為本發明之較佳實施例而已，當不能用以限定本發明所實施之範圍。即凡依本發明專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應屬於本發明專利涵蓋之範圍內。
1．．．電壓控制震盪器
11．．．第一電晶體
12．．．第二電晶體
13．．．第三電晶體
14．．．第四電晶體
15．．．電感
16．．．第一電容
17．．．第二電容
2．．．增益電路
20．．．電容
21．．．第五電晶體
22．．．第六電晶體
23．．．第七電晶體
24．．．第八電晶體
第一圖　係為本發明較佳實施例之電路圖，說明本發明可提高迴路增益之電壓控制震盪器之實施電路圖。
第二圖　係為本發明較佳實施例之實驗圖表一。
第三圖　係為本發明較佳實施例之實驗圖表二。
1．．．電壓控制震盪器
11．．．第一電晶體
12．．．第二電晶體
13．．．第三電晶體
14．．．第四電晶體
15．．．電感
16．．．第一電容
17．．．第二電容
2．．．增益電路
20．．．電容
21．．．第五電晶體
22．．．第六電晶體
23．．．第七電晶體
24．．．第八電晶體

Claims (5)

  1. 一種可提高迴路增益之電壓控制震盪器，至少包括：
    一第一電晶體，包括一第一端、一第二端以及一第三端；
    一第二電晶體，包括一第一端、一第二端以及一第三端，該第一端連接於該第一電晶體之第一端，該第二端連接於該第一電晶體之第三端，該第三端連接於該第一電晶體之第二端；
    一電感，包括一第一端以及一第二端，該第一端連接於該第一電晶體之第三端與第二電晶體之第二端，該第二端連接於該第一電晶體之第二端與第二電晶體之第三端；
    一第三電晶體，包括一第一端、一第二端以及一第三端，該第二端連接於該電感之第二端，該第三端連接於該電感之第一端；
    一第四電晶體，包括一第一端、一第二端以及一第三端，該第一端連接於該第三電晶體之第一端，該第二端連接於該第三電晶體之第三端，該第三端連接於該第三電晶體之第二端；以及
    至少一增益電路，包括：
    　　一第五電晶體，包括一第一端、一第二端以及一第三端，該第三端連接於該電感之第一端；
    　　一第六電晶體，包括一第一端、一第二端以及一第三端，該第一端連接於該第五電晶體之第一端，該第二端連接於該第五電晶體之第三端，該第三端連接於該第五電晶體之第二端以及該電感之第二端；
    　　一第七電晶體，包括一第一端、一第二端以及一第三端，該第三端連接於該電感之第一端；以及
    　　一第八電晶體，包括一第一端、一第二端以及一第三端，該第一端連接於該第七電晶體之第一端，該第二端連接於該第七電晶體之第三端，該第三端連接於該第七電晶體之第二端以及該電感之第二端。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之可提高迴路增益之電壓控制震盪器，其中該第一電晶體、該第二電晶體、該第五電晶體以及該第六電晶體係為NMOS 電晶體。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之可提高迴路增益之電壓控制震盪器，其中該第三電晶體、該第四電晶體、該第七電晶體以及該第八電晶體係為PMOS 電晶體。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之可提高迴路增益之電壓控制震盪器，更包括：至少一第一電容，包括一第一端以及一第二端，該第一端連接於該電感之第一端，該第二端連接於該電感之第二端。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之可提高迴路增益之電壓控制震盪器，更包括：至少一第二電容，包括一第一端以及一第二端，該第一端連接於該電感之第一端，該第二端連接於該電感之第二端。
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