TW476188B - Improved oscillator circuit - Google Patents

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476188 A7 五、發明說明（1 :本發明係關於-具有增加信號功率之經改良的振湯哭 ^ 〇 孤如 電 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 iiJL技藝描i朮 «器電路包含-具有會造成信號振£之一個或一個以 上電感及電容元件的調諧段。所有調諧電路本質上都會因 爲（例如）電感元件中的電阻而造成損失（1〇^)。在振盪^出 信號期間，此類的損失導致減弱或衰減。在每一振盪器信 號週期期間，最大損失値與最大振盪輸出信號値（即 盪信號的最大振幅）在同時間發生。爲克服此問題，於是在 振盪器電路中包括一主動級，以便藉由外加能量給調諧段 來補償信號衰減。然而，此方法的問題在於，該電路所消 耗的DC功率通常遠大於它所產生的信號功率。而且，本發 明之創作者最近發現，要從一給定的DC功率產生更多的信 號功率，必須在一儘量窄的脈衝内額外增加能量至該調諧 中。 圖1顯示的Colpitts振盪器10提供單端振盪（single-ended oscillation) ’其爲已知且廣泛使用的振盪器電路是，且具有 如前文所述的缺點，它，尤其是在調諧中的損失很大或品 質因數很小時。此振盪器包括一具有一電感器L及一對電容 器q、C2之調諧級，由一具有一電晶體q及一提供固定電流 I之DC電流源12的電力補充級加以驅動。如圖所示，電容器 對q、02在位於該電晶體Q之源極端子的節點小處連接，此 處有Vi電壓。電容器(^在節點N2處與電感器L連接，此處有 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） f請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) « -裝 476188 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 A7 B7 五、發明說明（） V2的電壓。電力供應V、偏壓VB及DC電流源12提供該電晶 體Q適當的偏壓條件。電壓V2代表電路1〇之經過振盪的輸出 信號。 當$亥。周#級開L振盈時，仏號V2的値增加並在其靜止點v 的附近週期性地減小。信號基本上是電容器對c i與q間 信號V2的分數値，因此也在其靜止點附近變化。隨著信號 V2及Vi增強，電晶體Q (它具有一個開啓或門限電壓値Ό 會因爲閘極與源極端子間的電壓（Vgs)低於vTH而被關掉。而 且由於電容器C!類似一 DC電流之開路狀態，因此電流.源i 2 所需要的電流I係經由電容器C2所放出的電量提供。隨著振 盪繼續進行，·造成Vi及乂2的値會一直減小直到vgs超過VT 。此時，電晶體Q開啓以提供電流給電流源12並使§電容器= 再度充電。結果，信號v^v2又再增加。 一 圖1所示先前技藝之電路10的一項缺點爲，電晶體之傳導 期間（conducdon duration)係由一單一的控制信號，亦即^ ，所控制，Vi係透過(^及(：2之比値與輸出信號％關聯。因 此，C2<選擇有相反兩面的戲劇性功能。明確地說，q必 須很小，使信號¥1產生較大的變化以便在一儘量短的期2間 内開啓或關閉電晶體。另一方面，q必須很大，以便在— 段儘量長的期間提供電流源12所產生的電流。此—左右爲 難的情況所造成的電晶體傳導期間的限制局限了先前技$ 之電路達到信號功率增強的能力，結果，限制了頻率: 的穩定性。 曰$ 本紙張尺度適??i國家標準（CNS)A4規格⑽x 297公釐 i ί ί an n ϋ 11 ·ϋ n ϋ I * I 1 —al I n ϋ l > ϋ n 1_1 i_l im ϋ n I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} -5- 476188 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 _πτ____ 五、發明說明（3 ) 本發明揭示一種供可增加振盪器信號功率且提高頻率穩 定性的振盪器電路。本發明電路包含一具有一電感器及至 少一對電容器的調諧級，用以產生一振盪信號。一主動級 以電子方式連接至該調諧級，用以注入電力至該調諧級， 以便補償該調諧級中所發生的損失。該主動級包括一具有 一閘極端子、一源極端子及一没極端子的電晶體。一供應 電壓V、一偏壓VB及一 DC電流源連接至該主動級，以便提 供一適當的偏壓條件。該等電容器還連接至該源極端子， 以便提供一第一控制信號至該源極端子，用以在該閘·極與 源極端子間的電壓超過該電晶體的門限電壓値時，選擇性 地啓動該電晶體。本發明具有用以產生一第二控制信號及 用以提供該第二控制信號至該閘極端子的裝置，以確保能 夠在一儘量短的期間内開啓及關閉該電晶體。 在一較佳具體實施例中，該控制裝置包括一第二電感器 ，其以電磁方式耦合該第一電感器，用以在電流經過該第 一電感器時產生第二控制信號。 在另一具體實施例中，提供一差分（differential)振盪器電 路，具有經改良的振盪信號功率。該差分電路包括兩個電 路分支，每一分支都包含以交叉連接方式配置的一調諧級 及一主動級，其中每一調諧級所產生的振盪信號分別提供 給另一主動級的電晶體閘極端子。在此方法中，來自每一 調諧級之每一振盪信號以此方式作爲另一級中之電晶體的 第二控制信號。 從以下配合附圖説明的詳細説明中，將更清楚本發明的 -6 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ----------_裝--------訂---------# (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

五、發明說明（4 ) 其匕目的及功能。然而，亦應了解，該等附圖之設計係僅 、馬說明用途，並非限制本發明，本發明的範圍應參考隨附 的申請專利範圍。 1^簡單説明 各圖中’相似的參考文字代表類似的元件。 圖1爲一先前技藝之振盪器電路的示意圖； 圖2爲按照本發明一較佳具體實施例之振盪器電路的示意 圖： 圖3a-d爲圖2電路所產生電壓波形的圖示；及 圖4爲本發明另一較佳具體實施例之振盪器電路的示意圖。 主皇J1月車父佳具體實施例之詳細説明 振！斋私路设计的目標之一係達到儘可能高的頻率穩定 性。頻率穩定性經常以一特殊振盪器電路中所量測到的相 位雉訊來表示。相位雜訊降低會增加頻率的穩定性。相位 雉訊的疋義是雜訊功率對信號功率的比値，可以利用增強 一振盪信號的信號功率使它降低。本發明之創作者發^， 在一給定的振盪器電路中，例如前述先前技藝之電路ι〇， 啓動電晶體Q期間的時間長度會影響信號的功率。明確地說 ，本發明〈創作者發現’藉由使電晶體傳導的期間達到最 小，振靈信號的信號功率可達到最大，、结$，相位雜訊降 低，頻率穩定性獲得改善。 圖2所示爲—運用此原理，按照本發明一較佳具體實施例 之單端（single-ended)振盪器電路1〇〇。如同圖丨之先前技藝 的電路10，雷路1〇〇舍本_1女 _ ,, 私峪 匕ϋ具有一電感器L及一對電容器Ci -7- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(21G X 297公釐j -----— --裝—— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂· · 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 476188

C2之凋#級。使用一主動級以補償該調譜級中的損失， =主動級包含一具有一閘極、一汲極及一源極端子之電晶 體Q。以一DC供應電壓V、一DC偏壓Vb及一DC電流源12〇 馬該電晶體設定適當的偏壓條件。電路1〇〇產生一振盪輸出 L唬V2，出現在該電晶體汲極端子、電容器Cl及電感器 間的節點N2。電容器Cl、（：2相連，如圖所示，並與該電晶 體Q的源極端子在節點Nl連接，此處有％的信號。如以下將 詳加解釋者，進一步具有一用以使電晶體Q振盪的裝置。在 一較佳具體實施例中，該控制裝置包括一第二電感器.^， 其以電磁方式與該第一電感器、連接，而且接在該電晶體 之閘極端子與該偏壓νΒ間。 在圖π之電路100中，電晶體Q最好是一具有門限電壓Vth in-通道FET。如此技藝所熟知，此一裝置在閘極與源極端 子間的電壓（vgs)超過該門限電壓Vth時打開或接通。如前面 關於先前技藝之電路10所作的解釋，在振盪期間，於節點 Ν2產生一經過振盪之輸出信號％，其爲例如圖化之形式， 且具有一週期性相位，其振幅的中央係位在 — DC電壓V的 附近。隨著V2的値減小，用以提供電晶體Q之控制的信號％ 的値亦減小。信號Vi如圖3b的趨勢跟隨信號％，但振幅縮 小’且其中心在圖3b所示的靜止點vib處。 在先岫技藝之電路1 〇中，電晶體q只以信號'的値加以控 制-例如當値造成Vgs超過門限電壓Vth時啓動電晶體 -電路100與它不同，在電路1〇〇中，電晶體q額外用一第二 施於孩電晶體閘極端子的控制信號V3加以控制。信號％最 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） I — — — — — — — I · 11 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 15J· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 476188 五、發明說明（6 ) 好疋在經由與電感器電磁連接的電感器L:中產生且因此 與電感器L的傳導性有關。如此，當信號％在振盪週期期 間減弱時，信號V3的値增加。此由圖3c可見，圖示信號％ 的極性與信號％相反，但有共同的週期。如圖所示，信號 v3的中心在DC電壓値νΒ。 與V i I ·’的差）更快速地降到門限電壓ν τ Η以下並關掉電晶體 。以此方式，電壓vgs能夠突然超過Vth或低於Vth而造成電 叩體Q敏捷地開啓或關閉。如此允許藉由適當地設定Vb， 使在最小的期間將週期性的電力供應提供給調諧級以使振 盟輸出信號達到最大，亦即使信號功率達到最大。換言之 ，如圖3d所示，可單獨調整電壓Vgs的峰値，使它僅是在每 與振盪信號最大峰値一致之週期期間的很短的時間内超 過門限電壓VTH。 電路100所根據的發明概念亦可用於建構一差分振堡電路 ，例如圖4所示之另一具體實施例中參考號碼爲2〇〇的電路 °差分振篮電路200基本上係由兩個分開且完全相同的單一 頻丸振盥器電路部份220、240構成，每一部份的運作與前 由於控制信號V!在信號％因爲前述原因減小時也減小， 因此信號％之値的瞬間增加量造成電壓Vgs的增加値比目前 缺少電晶體控制裝置（例如缺少第二電感器L2)的VP高。換 言之，電晶體Q現在是利用一施於閘極端子（V3)及源極端子 仏號加以控制，與先前技藝之電路⑺中只用施於源極 控制信號㈤不同。當信號^增力口，第二控制信號 小且第-控制信號Vi會增加，因此造成電壓（ v

Q 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格⑽χ 297公爱 -9- 476188 A7 ________B7__ 五、發明說明（7 ) 述的電路100類似。爲方便以下之明，240電路部份的元件 及參數包含記號Γ A」。差分輸出信號記爲信號v2及V2 A，個 自產生兩個控制信號之一以便分別啓動電晶體q及q A。明 確地説，電晶體Q由信號Vi及乂3加以控制，而電晶體〜以 信號Via及乂以加以控制。每一電晶體以一分別經過電阻& 、R1A的DC供應電壓施以偏壓。以一來自個別電路部份之輸 出信號的交叉相連（cross-coupled)連接作爲控制信號％及 V3 a之値的控制裝置。例如，信號V3連繫到來自240部份之 經由一電容器Cm施於電晶體Q閘極端子的輸出信號v2A，而 信號連繫到來自220部份之經由一電容器c3施於電晶體q 閘極端子之輸出信號V2。如此技藝所熟知者，對於aC而言 ’電容器C3及Cm爲短路的情況，如同信號v2及v2A。因此 ，輸出的AC信號基本上係直接提供給電晶體的閘極端子。 由於電路2 0 0之差分設計’當信號V2減弱時，信號v2 A會 增強，反之亦同。運作時，當信號％減弱時，由於電容器 G及C2之配置所形成的電壓分割組態（v〇ltage dlvider configuration)，信號乂!也會減弱。同時，信號％ a增強造成 控制信號Vs增強並產生很大的電晶體Vgs値。若適當地選擇 VB的値，則該很大的乂以値會超過電晶體q的門限電壓vth， 造成電晶體Q在每一週期的極短瞬間啓動，因而產生一最大 的輸出信號V2及一最小的相位雜訊。隨著信號％增強，發 生相反的結果，亦即，電晶體qa啓動—短暫期間，而電晶 體Q關閉。 在電路1 00或200的運作中，使每一電晶體僅啓動一短暫 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） *裝 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ----訂--------- 鏵. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -10- 4/〇1δδ Α7 五、發明說明（8 ) 時間是要達到的目樟。 及丨兩厭碼Λ,、、 則述，此目標係藉由適當地選擇 % = B〈相對電壓値及電晶體門限電壓而達成。 X奋輸出信號之峰値及跨過電晶體Ο之電壓下降的最 1日好鱗電晶體啓動瞬間的時間-致。如此使得電曰曰 體上的電力消耗達到最小，而且由於能 功率達到最大値。 ㈣在另’m例中’在輸出節點N2與N2A間包含一例如 =容二極體（咖ctorMc的調整元件（如圖4所示），以便可 k擇陡地凋正差分輸出信號頻率。圖2的電路中也包含該變 客二㈣，藉由在節點N2與接地點間連接該變容二極體以 便可選擇性地碉整輸出信號頻率。 因此，雖然已説明及描述並指出本發明應用於較佳且體 實施例之基本創新特點，但應了解，熟知此技藝者可對本 文所述裝置之形式及細節以及其操作，作各種省略及代替 和變更，而不偏離本發明之精神。例如，該等以大體上相 同万式執行大體上相同功能以達成相同結果之元件的所有 組合顯然是在本發明的範圍之内。此外，應了解，與本發 明所揭示之任何形式或具體實施例相關之結構及/或所示及/ 或描述之元件皆可納入任何其它所發表或描述或建議的形 式或具體實施例而爲-般性的設計選擇。因此，本發明僅 受限於後附專利申請所指出的範圍。 11 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 裝 訂.· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

Claims (1)

1. 476188 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 AS B8 C8 D8六、申請專利範圍 1. 一種供產生一具有增加信號功率及減少相位雜訊降低之 週期性振盪信號的振盪器電路，該電路包含： 一具有一閘極端子、一源極端子、一；及極端子及一第 一門限電壓値的電晶體，當該閘極及源極端子間的電壓 差超過該第一門限電壓値時可選擇性啓動該電晶體； 一連接至該源極端子的DC電流源，用以提供偏壓至該私， 一具有一電感器及第一暨第二電容器的調諧段，該第 一及第二電容器彼此相連且連接到該源極端子，用以提 供一第一控制信號至該源極端子；以及 用於供應一第二控制信號至該閘極端子的裝置，該裝 置係配置成當該第一控制信號在低値時，促使該第二控 制信號變成南値，用以在短暫時間内啓動該電晶體，以 便注入電力至該調諧段中。 2. 如申請專利範圍第1項之電路，其中該電感器包含一第一 電感器，其中該供應裝置包含一連接至該閘極端子且以 電磁方式耦合第一電感器的第二電感器。 3. 如申請專利範圍第1項之電路，其中該第二電容器具有大 於該第一電容器的電容値。 4. 如申請專利範圍第1項之電路，其中該週期性振盪信號具 有一最大振幅，其中當該發生該最大振幅時，該第二控 制信號導致啓動該電晶體。 5. 如申請專利範圍第1項之電路，該電路進一步包含一供應 至該没極端子的DC供應電壓，以及一供應至該閘極端子 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝---- 訂---------

   -12- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 476188 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 白勺DC偏壓，用以提供偏墨至該電路。 6. 如申請專利範圍第5項之電路，其中該電感器係連接在該 供應電壓與該汲極端子間，用以產生該週期性振盪信號。 7. 如申請專利範圍第1項之電路，其中該電晶體包括一第一 β電晶體，其中該調諧段包括一第一調諧段，其中該週期 性振盪信號包括一第一週期性振盪信號及一第二週期性 振盪信號，該電路進一步包括： 一具有一閘極端子、一源極端子、一没極端子及一第 二門限電壓値的第二電晶體’當該第二電晶體閘極與源 極端子間的電壓差超過該第二門限電壓値時，可選擇性 地啓動該第二電晶體； 一連接1該第二電晶體源極的第二DC電流源，用以提 供工作電流給該電路； 一具有一電感器及第三暨第四電容器之第二調諧段， 該弟二调諸段的弟二及弟四電容器彼此相連，並連接到 該第二電晶體源極端子，用以提供一第三控制信號至該 第二電晶體源極端子； 該裝置進一步提供一第四控制信號至該第二電晶體閘 極端子，當該第二週期性振盪信號處於低値時，該裝置 導致該第四控制信號成爲高値，用以在短暫時間内啓動 該電晶體，以便注入電力至該調諧段中。 8. 如申請專利範圍第7項之電路，其中該第四電容器具有大 於該弟二電容备的電客値。 9. 如申請專利範圍第7項之電路，該電路進一步包含一供應 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ----

   經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 476188 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 至該汲極端子的DC供應電壓，以及一供應至該閘極端子 的DC偏|，用以提供偏壓至該電路。 10. 如申請專利範圍第9項之電路，其中該電感器係連接在該 供應電壓與該汲極端子間，用以產生該週期性振盪信號。 11. 如申請專利範圍第1項之電·路，其中該第一調諧段具有一 輸出節點，該電路進一步包含一連接在該輸出節點及一 共同接地間的變容二極體（varactor)。 12. 如申請專利範圍第7項之電路，其中該第一調諧段具有一 輸出節點，該第二調諧段具有一輸出節點，且該電路進 一步包含一連接在該第一及第二調諧之該等輸出節點間 的變容二極體。 13 · —種供產i 一具有增加信號功率及減少相位雜訊之週期 性振盪信號的振盪器電路，其中該週期性振盪信號在週 期性發生之最大及最小値間變化，該電路包含： 一具有一閘極端子、一源極端子、一没極端子及一門 限電壓値的電晶體，當該閘極及源極端子間的電壓差超 過該門限電壓値時可選擇性啓動該電晶體； 一連接至該源極端子的DC電流源，用以提供偏壓至該 電路； 一具有一電感器及第一暨第二電容器的調諧段，該電 容器彼此相連且連接到該源極端子，用以提供一第一控 制信號至該源極端子；以及 用以在該週期性振盪信號發生最大値之同一時間的短 暫期間内啓動該電晶體的裝置，以便在啓動該電晶體時 -14- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------------·裝--------訂-I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 476188 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 注入電力至該週期性振盪信號中。 14. 如申請專利範圍第13項之電路，其中該電感器包含一第 一電感器，其中該供應裝置包含一連接至該閘極端子且 以電磁方式耦合第一電感器的第二電感器。 15. 如申請專利範圍第13項之電路，其中該電晶體包括一第 一電晶體，其中該調諧段包括一第一調諧段，並且，其 中該週期性振盪信號包括一第一週期性振盪信號及一第 二週期性振盪信號，該電路進一步包括： 一具有一閘極端子、一源極端子、一没極端子及一第 二門限電壓値的第二電晶體’當該第二電晶體閘極與源 極端子間的電壓差超過該第二門限電壓値時，可選擇性 地啓動該第二電晶體； 一連接至該第二電晶體源極的第二DC電流源，用以提 供偏壓給該電路； 一具有一電感器及第三暨第四電容器之第二調諧段， 該第二調諧段的第三及第四電容器彼此相連，並連接到 該第二電晶體源極端子，用以提供一第三控制信號至該 第二電晶體源極端子； 該裝置進一步提供一第四控制信號至該第二電晶體閘 極端子，當該第二週期性振盪信號處於低値時，該裝置 導致該第四控制信號成爲高値，用以在短暫時間内啓動 該電晶體，以便注入電力至該調諧段中。 -15- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------------裝---- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂--------- #_