經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 521503 6010twf/002 A7 B7 五、發明說明（I ) 本發明是有關於一種寬頻之壓控振盪器’且特別是 有關於一種應用於數位電路與通訊系統中，可以提供高 效能及低功率操作的寬頻省電之壓控振盪器。 壓控振盪器不論是在數位電路或通訊系統裡皆扮演 極重要的角色。在數位電路中，壓控振盪器提供所需的 時脈訊號；在通訊系統中，壓控振盪器輸出的振盪頻率 可以作爲調變時的載波，或是解調時的本地振盪器之 用。同時，壓控振盪器也是鎖相迴路及頻率合成器的核 心元件。 一般而言，振盪器的設計是利用電感器L與電容 器C所組成的LC充放電電路，而LC充放電電路所產 生的振盪頻率是提供給上述電路之用。然而。近年來積 體電路的蓬勃發展，爲了提高電路的整合性，積體電路 使用電感元件就顯得不適用。 另外，在輸出頻率穩定度的部分，以在晶片上之振 盪器的設計，由於電感元件的特性不易掌握，且需要較 大的晶片面積，於是，大多採用串接式振盪器（Ring Oscillator)應用在積體電路上。 第1圖繪示寬頻鎖相迴路之方塊圖。人/表示參考 頻率。九,表示輸出頻率。乂與&表示選擇信號。C表示 控制電壓。系統提供一個參考頻率人/至相位偵測器（Phase DetectoOlOO，此參考頻率“經過相位偵測器100、充電 栗浦(Charge Pump)102 與迴路濾波器（Loop Filter)l〇4 而 轉換爲一個控制電壓K，此控制電壓及選擇信號\與& 3 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） I-----—-------- 裝--------訂---------線 I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 521503 601〇twf/002 A7 B7 五、發明說明（1) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 輸入至寬頻之壓控振盪器106。此時，寬頻之壓控振盪 器106輸出一個輸出振盪頻率九，至所需的電路使用。除 法器（DWider)108接收由寬頻之壓控振盪器1〇6所輸出 的輸出頻率九，，並除以一個倍數得到一頻率與參考頻率 /<做比較，判斷輸出振盪頻率人,是否爲所需之頻率。 在第1圖中的寬頻之壓控振盪器106以第2圖繪示 習知之串接式壓控振盪器的電路圖做說明。串接式壓控 振盪器200是將奇數個反相器（lnvertei*)202串接起來形 成一個迴路。在此架構中，每一級反相器202的輸出端 接至下一級反相器202的輸入端，依此類推，再將最後 一級反相器202的輸出端接至第一級反相器202的輸入 端以形成一個閉迴路。利用每個反相增益級間轉態時所 產生的時間延遲，以造成振盪頻率輸出，而振盪頻率的 週期與反相增益串列的整體時間延遲有關。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在每一級反相器202的輸出端與接地之間連接壓控 負載，此壓控負載是由壓控電阻VCR204與電容器C206 串接而成。藉由調整壓控電阻VCR204上的控制電壓， 以改變相鄰反相增益級之間的充放電時間，以調整振盪 頻率。在每一級反相增益級之間的時間延遲可近似成RC 充放電常數，其中，C爲充放電時的負載電容，R爲充 放電時的等效電阻，其等效電阻値與反相器202中電晶 體的尺寸大小有關。 由於輸出的振盪頻率週期是與RC充放電常數成正 比，即表示振盪頻率與RC充放電常數成反比，則串接 4 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 521503 6〇10twf/〇〇2 A7 B7 五、發明說明（j) 式壓控振盪器200的功率消耗爲： P = C*F2 */ 其中，C爲輸出負載電容、V爲供應電壓與/爲振 盪頻率。將RC充放電常數取代振盪頻率/可以得到：
P = Kp*(C*V2y(l/RC) = KP*V2/R A爲常數，表示串接式壓控振盪器200中反相器202的 級數。由上述之數學式得知串接式壓控振盪器200的功 率消耗在電晶體的尺寸決定後就成爲定値，與振盪頻率 並無關係。 一般串接式振盪器的設計，爲了加大振盪器的輸出 頻率範圍，都是將振盪器產生最高頻率的時脈訊號，經 過頻率合成單元調整控制訊號，使頻率合成單元產生各 種不同輸出的頻率時脈，亦或改變串接增益級的數目以 達成寬頻輸出的目的。如此，可以增加振盪器的輸出頻 率範圍，但是外加的頻率合成單元與串接增益級的數目 增加，將使得串接式振盪器消耗更多的功率。 並且，在輸出頻率穩定度的部分，串接式振盪器是 利用電路轉態區域的時間變化以調整振盪頻率，容易受 到雜訊與溫度的影響，以致於輸出訊號的穩定度較差。 因此本發明係提供一種並聯式架構的寬頻省電之壓 控振盪器，是並聯數個小的串列反相增益級、壓控電阻、 電容與控制單元所組成。在相同的輸出負載下，利用控 制單元來選擇並聯串列的數目，以調整反相增益級的驅 動能力，藉由改變各輸出級的充放電時間常數，進而輸 5 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝--------訂---------線 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 521503 601〇twf/002 A7 B7 五、發明說明（f ) 出所需的振盪頻率。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明係提供一種寬頻省電之壓控振盪器，其不必 經過頻率合成器電路或增加反相器的串接級數，可以有 效地增加振盪器的輸出頻率範圍。不但減少電路的複雜 度，同時也可達到降低功率消耗的目的。 本發明提出一種寬頻省電之壓控振盪器包括：邏輯 控制電路是由數個邏輯閘組合成。由外部裝置輸入選擇 信號至邏輯控制電路，並從邏輯控制電路輸出高準位與 低準位以作爲控制信號之用。並聯串列可控制反相器組 是由數個可控制反相器先串接成閉迴路形式的數個串列 可控制反相器組，並將這些串列可控制反相器組並聯成 並聯串列可控制反相器組。這些串列可控制反相器組的 輸出端並聯連接，以輸出所需的振盪頻率。由邏輯控制 電路輸出控制信號至並聯串列可控制反相器組的輸入 端，以控制並聯串列可控制反相器組的並聯數目。以及， 壓控負載耦接於並聯串列可控制反相器組與接地，以作 爲並聯串列可控制反相器組的負載。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本發明提出一種寬頻省電之壓控振盪器，其包括並 聯串列可控制反相器組是由數個可控制反相器先串接成 閉迴路形式的數個串列可控制反相器組，並將這些串列 可控制反相器組並聯成並聯串列可控制反相器組。這些 串列可控制反相器組的輸出端並聯連接，以輸出所需的 振盪頻率。由邏輯控制電路輸出控制信號至並聯串列可 控制反相器組的輸入端，以控制並聯串列可控制反相器 6 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 521503 6010twf/002 A7 B7 五、發明說明（I) 組的並聯數目。其中這些可控制反相器組包括： 輸出端切換可控制反相器包括供應電壓耦接至P型 金氧半導體的源極，P型金氧半導體的汲極耦接至負相 邏輯開關的電源端，負相邏輯開關的負載端耦接至正相 邏輯開關的電源端，以作爲此輸出端切換可控制反相器 的輸出端，正相邏輯開關的負載端耦接至N型金氧半導 體的汲極，N型金氧半導體的源極耦接至接地。此P型 金氧半導體的閘極與此N型金氧半導體的閘極相連接， 以作爲此輸出端切換可控制反相器之控制信號的輸入 端。以及，電源切換可控制反相器包括供應電壓耦接至 負相邏輯開關的電源端，負相邏輯開關的負載端耦接至 P型金氧半導體的源極，此P型金氧半導體的汲極耦接 至N型金氧半導體的汲極，以作爲此電源切換可控制反 相器的輸出端，此N型金氧半導體的源極耦接至正相邏 輯開關的電源端，此正相邏輯開關的負載端耦接至接 地。此P型金氧半導體的閘極與此N型金氧半導體的閘 極相連接，以作爲此電源切換可控制反相器之控制信號 的輸入端。 爲讓本發明之上述目的、特徵、和優點能更明顯易 懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說 明如下= 圖式之簡單說明： 第1圖繪示寬頻鎖相迴路之方塊圖； 第2圖繪示習知之串接式壓控振盪器的電路圖； 7 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -----1 Ί------- ^--------訂---------線 1 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 521503 6〇10twf/002 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（(） 第3圖繪示本發明之寬頻省電之壓控振盪器的方塊 圖； 第4圖繪示本發明之寬頻省電之壓控振盪器的電路 圖； 第5A圖繪示本發明之輸出端切換可控制反相器的 電路圖； 第5B圖繪示本發明之電源切換可控制反相器的電 路圖； 第6圖繪示本發明之邏輯控制電路的電路圖； 第7A圖爲輸出端切換可控制反相器架構的寬頻省 電之壓控振盪器於不同頻率時的功率消耗； 第7B圖爲電源切換可控制反相器架構的寬頻省電 之壓控振盪器於不同頻率時的功率消耗；以及 第1表爲邏輯控制電路的真値表。 標號說明= 100 :相位偵測器（Phase Detector) 102 :充電栗浦（Charge Pump) 104 :迴路濾波器（Loop Filter) 106，300，412 :寬頻之壓控振盪器（wide-range Voltage Control Oscillator) 108 :除法器(Divider) 200 ·串接式壓控振盪器（Series Voltage Control
Oscillator) 202 :反相器（Inverter) 8 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公爱） (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) 裝.----- 訂 — I —----線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 521503 6010twf/002 A7 B7 五、發明說明（q ) 204 :壓控電阻（Voltage Control Resistor) 206，410 :電容（Capacitor) 3 02,400,600:邏輯控制電路（Logic Control Circuit) 304，402 :並聯串列可控制反相器組（Parallel Series Controllable Inverter Bank) 306，404 :壓控負載（Voltage Control Load) 406 :可控制反相器（Controllable Inverter) 408 :電晶體（Transistor) 500, 502, 508, 510: P型金氧半導體電晶體（P Type Metal Oxide Semiconductor Transistor) 504, 506, 512, 514: N型金氧半導體電晶體(N Type Metal Oxide Semiconductor Transistor) 602，604，608，610，612，616 :反閘（NOT Gate) 606 :反或閘（NOR Gate) 614 :反及閘（NAND Gate) 實施例 在第1圖中的寬頻之壓控振盪器106以第3圖繪示 本發明之寬頻省電之壓控振盪器的方塊圖做說明。由外 部的控制裝置輸入5。與^的選擇信號至寬頻之壓控振盪 器300中的邏輯控制電路302。而邏輯控制電路302是 由數個邏輯閘所組合成的。邏輯控制電路302接收選擇 信號&與，並經邏輯閘的運算而得到一組高準位與低 準位的控制信號，此控制信號由邏輯控制電路302的輸 出端輸出至並聯串列可控制反相器組304。 9 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---------線 521503 6010twf/002 A7 B7 五、發明說明（F) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 並聯串列可控制反相器組304是由數個可控制反相 器先串接成閉迴路形式的數個串列可控制反相器組，並 將這些串列可控制反相器組並聯成並聯串列可控制反相 器組304。這些串列可控制反相器組的輸出端並聯連接， 當並聯串列可控制反相器組304的輸入端接收來自邏輯 控制電路302所輸出的控制信號，以控制並聯串列可控 制反相器組304的並聯數目，並在並聯串列可控制反相 器組304的輸出端輸出所需的輸出振盪頻率九，。 以及，壓控負載306連接於並聯串列可控制反相器 組304，以作爲並聯串列可控制反相器組的負載。控制 電壓K由迴路率波器1〇4(參考第1圖）輸入至壓控負載 306，藉由改變控制電壓匕以達到改變並聯串列可控制反 相器組304所輸出的輸出振盪頻率九，。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第4圖繪示本發明之寬頻省電之壓控振盪器的電路 圖。實施例是以4條並聯串列可控制反相器組402爲例， 每條並聯串列可控制反相器組402是由3個可控制反相 器406串聯成閉迴路的形式，並且每條並聯串列可控制 反相器組402的輸入端與輸出端是互相連接，所連接的 輸出端是輸出寬頻之壓控振盪器412的輸出振盪頻率 /⑽。 邏輯控制電路400接收選擇信號S。與&，並經邏輯 閘的運算後，由8條控制線輸出4組控制信號，此4組 控制信號是控制4條並聯串列可控制反相器組402。藉 由改變並聯串列可控制反相器組402的並聯數目，以達 10 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 521503 601〇twf/〇〇2 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（y) 成不同輸出得頻率區段。 3組壓控負載404是連接在每個並聯串列可控制反 相器組402的輸出端與接地之間。每組壓控負載4〇4是 利用電晶體408作爲壓控電阻，再串接電容410作爲負 載電容，藉由改變電晶體408上的控制電壓Fc，以達到 改變並聯串列可控制反相器組4〇2所輸出的輸出振盪頻 率九，。 在積體電路相同面積的條件下，將習知之串接迴路 之反相器的串接式壓控振盪器，變成串接迴路之可控制 反相器406之多條並聯的串接式壓控振盪器，即原本單 一串列的反相器改成4條小串列的可控制反相器406。 利用邏輯控制電路400來控制並聯的數目以選擇寬頻之 壓控振盪器412的輸出頻區段。 在此，並聯串列可控制反相器組中的可控制反相器 4〇6電晶體尺寸的總合是等於習知之串接式壓控振盪器 中反相器電晶體的尺寸，亦即可控制反相器406充放電 時之等效電阻爲習知之反相器的4倍。在面對相同的負 載電容時，只要調整並聯串列可控制反相器組402的並 聯數目，即可調整並聯串列可控制反相器組402每一組 輸出端的驅動能力。改變充放電時間常數，進而達到改 變輸出的振盪頻率。 若系統需要較高頻率區段的振盪訊號時，將4條並 聯串列可控制反相器組402全部並聯起來，此時，並聯 串列可控制反相器組402的驅動能力是等於所有反相增 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公® ) ---------------- 裝 i I I I I I I 訂·！ I I ! 線 I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 521503 6010twf/〇〇2 A7 B7 五、發明說明（R ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 益級的驅動能力，與習知之串接式反相器的驅動能力是 相同的。而且，寬頻之壓控振盪器412將產生最高頻率 區段的振盪訊號；反之，若系統需要較低頻率區段的振 盪訊號時，只要減少並聯串列可控制反相器組402的並 聯數目，則充放電時間常數變大，寬頻之壓控振盪器412 所產生的振盪頻率自然就降低，並且並聯串列可控制反 相器組402的驅動能力也隨之降低。 第5A圖繪示本發明之輸出端切換可控制反相器的 電路圖，在第5A圖中以N型金氧半導體電晶體與P型 金氧半導體電晶體做爲開關的例子。以下簡稱爲電晶體 MP500(P型金氧半導體電晶體）與MN506(N型金氧半導 體電晶體），以及控制用電晶體Ml 502(P型金氧半導體 電晶體）與M2 504(N型金氧半導體電晶體）。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 輸出端切換可控制反相器是由電晶體MP500與MN 506所組成的反相器，其電晶體ΜΡ5〇0與MN506的兩 端分別連接電源Gd與接地GND，在電晶體MP500與 MN506之間串連兩個控制用電晶體Ml 502與M2 504。 Control_p 與 Control_n 分別爲電晶體 Ml 502 與 M2 504 的控制訊號，當Control_p爲低準位與Control—n爲高準 位時，電晶體Ml 502與M2 504均導通，反相器對下一 級電路進行充放電的動作；當Control_p爲高準位與 Control—η爲低準位時，電晶體Ml 502與M2 504均不 導通，反相器的輸出端是浮接狀態，此時反相器沒有動 作。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 521503 601〇twf/002 A7 B7 五、發明說明（丨ί) 第5Β圖繪示本發明之電源切換可控制反相器的電 路圖，同上述之方法。電源切換可控制反相器是由電晶 體ΜΡ510與ΜΝ512所組成的反相器，其電晶體ΜΡ500 與ΜΝ506的兩端分別連接控制用電晶體Ml 508與Μ2 514，而控制用電晶體Ml 508與M2 514分別連接電源 與接地GND。Control_p與Control_n分別爲電晶體 Ml 508與M2 514的控制訊號，當Control_p爲低準位 與Control_n爲高準位時，電晶體Ml 508與M2 514均 導通，反相器對下一級電路進行充放電的動作；當 Control_p爲高準位與Control_n爲低準位時，電晶體Ml 508與M2 514均不導通，反相器沒有電源供應，此時反 相器沒有動作。 第6圖繪示本發明之邏輯控制電路的電路圖。輸入 於邏輯控制電路600的Logicl與選擇信號&與A是作爲 選擇並聯串列可控制反相器組的並聯數目，其中Logicl 表示高準位且由供應電源所提供的。由反閘、反或閘與 反及閘所組成的邏輯控制電路600,所佔的面積不到振 盪電路的1%，在穩態操作時幾乎不消耗功率，此邏輯 控制電路600對整體的壓控振盪器是不會造成影響的。 控制訊號 Control—nl 與 Control_pl 是由 Logicl 輸 入於串聯的反閘602與反閘604而得到的。控制訊號 Control—n2與Control_p2是由選擇信號5；與&輸入於串 聯的反或閘606與反閘608而得到的。控制訊號 Control—n3與Control_p3是由選擇信號&與&輸入於串 13 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） ----l· Ί-------、裝--------訂---------線 (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 521503 五、發明說明（d) 聯的反閘610與反閘612而得到的。控制訊號Ccmtr〇l_n4 與C〇ntr〇l_P4是由選擇信號&與&輸入於串聯的反及閘 614與反閘616而得到的。 第1表爲邏輯控制電路的真値表。在第1表中，分 別輸入選擇信號S。與5\爲00、01、10與11時，所輸出 的四組控制訊號Control_n分別爲1000、1100、1110與 11ί1，以及控制訊號 Control_p 分別爲 0111、0011、0001 與0000，即分別代表並聯串列可控制反相器組的並聯數 目爲1、2、3與4 〇 本實施例以利用TSMC 0.6//m 1P3M CMOS製程完 成一個可操作在3.3V的寬頻振盪器。第7A圖爲輸出端 切換可控制反相器架構的寬頻省電之壓控振盪器於不同 頻率時的功率消耗，以輸出端切換可控制反相器所組成 的壓控振盪器（以第4圖爲例），其頻率輸出範圍可從 178MHz至792MHz，K爲並聯串列可控制反相器組的並 聯數目，壓控振盪器的功率消耗約與並聯串列可控制反 相器組的並聯數目成正比關係，從13.6Mw至62.6mW。 第7B圖爲電源切換可控制反相器架構的寬頻省電 之壓控振盪器於不同頻率時的功率消耗，以電源切換可 控制反相器所組成的壓控振盪器（以第4圖爲例），其頻 率輸出範圍可從184MHz至10.4GHz，K爲並聯串列可 控制反相器組的並聯數目，壓控振盪器的功率消耗約與 並聯串列可控制反相器組的並聯數目成正比關係，從 11.7MW至47.8mW。此架構除了具有寬頻與低功率的特 14 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------^-------^--------訂---------線 I (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 521503 6010twf/002 A7 B7 五、發明說明（$) 性之外，也將因加入控制電晶體所造成對最高輸出振盪 頻率的影響大幅減少，使得電源切換可控制反相器架構 之最高輸出振盪頻率較高於輸出端切換可控制反相器架 構之最高輸出振盪頻率。 因此，本發明的優點係應用於鎖相迴路中是先選擇 頻率區段，再加以控制電壓調整出所需之振盪頻率。而 寬頻省電之壓控振盪器不會因爲寬頻輸出使得單位控制 電壓變化對頻率變化的比値變大，讓寬頻省電之壓控振 盪器不會因控制電壓稍一改變就產生極大的頻率變化， 使鎖相迴路較穩定，相位雜訊與跳動(jitter)的表現較佳。 本發明的另一優點係由數組並聯串列反相增益級、 壓控電阻、電容與邏輯控制電路所組成，在相同的輸出 負載下，利用邏輯控制電路來選擇並聯串列反相增益級 的並聯數目，調整反相增益級的驅動能力，改變反相增 益級的各輸出級之充放電常數，進而輸出所需要的振盪 頻率。 本發明的再一優點係使用寬頻省電之壓控振盪器， 不必經過頻率合成器電路或增加反相器的串接級數，即 可有效地增加寬頻省電之壓控振盪器的輸出頻率範圍， 不但減少電路的複雜度，同時可達到降低寬頻省電之壓 控振盪器之功率消耗的目的。 綜上所述，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，任何熟習此技藝者，在不脫 離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾， 15 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） I ----l· I-------- · I I I I---訂----— II--. (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 521503 6010twf/002 A7 _B7_ 五、發明說明（if) 因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定 者爲準。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 6 I---— — — — — — I· - I I I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------線 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）