TW588509B - A frequency synthesizer, voltage controlled oscillators and the control method thereof - Google Patents

Description

588509 五、發明說明（l) 本發明係與電壓控制振盪器及控制該電壓控 之方法及電路有關者。 盪為 在一個成功的寬頻帶接收器背後，電壓控制振哭 (v=，Voltage contr〇Ued 〇scillat〇r)無疑扮演 了二個 ^田關鍵性的角色，尤其是在接收器前端部，因為經由天 秦或數位電視電纜進入的寬頻信號品質特 的戲劇化影響’益發凸顯其重…vc〇的設計必須j謹雜， 為之’始克在寬頻領域中應付調諧所需。 ，去，無線電頻率（RF，Radi〇的傳統電 路大夕使用雙載子IC技術製成的外部被動元件，然而，最 近業界都已紛紛採用成本比雙載子技術明顯降低許多的互 補型金屬氧化膜半導體（CM〇S)技術。第一圖係用以說明一 種利用一對CMOS M0SFET電晶體Ml、M2與一對變抗器之細 :::，V1、CV2構成之基本VC〇設計。該變抗器與細調 ❺電容器結合一固定值電感器L，可依下式在某頻率發生 振盪現象： f〇=l/2*pi*Sqrt(LC) ，制好孩隻抗器的電容後，藉由改變施加於調諧節點的電 塗，即可找到該振盪頻率。第二圖說明施加於調諧節點之 =諧（v)TUne(v)與VC0振盪頻率間的互動關係（斜率Mhz/v 代表其調變指數）。 ^在内建電壓之晶片所允許的「淨空」範圍内，一種所 謂的集積模式M0SFET變抗器（AM0S)能夠達成㈣以&cn]in等 的程度，且能提供比其他晶片内建_(金屬氧化膜 體）裝置更佳的Q值。一種可以擴張調諧範圍的方法是 588509 曰 修正 案1 號 91118ΜΠ 五、發明說明（2) 引進外建變抗器以有效地消 限制。如果不希望使用外式”「淨空」範圍的 用粗、細兩種内建調諧元件以選擇是同時採 度。第3圖係用以圖解一種採Κ #乾圍及提幵解析 -逯击i…一 用本方法的CM〇S電路，圖中 1串可切換電容器係可利用開 辅助振盪器槽。該圖顯示雷踗夕„飞脱離VL〇電路以 切換電容器，可供1==二器槽，側各設有四只 最吝1 fi徊相、* h 即”、、占tune與七111^1)之變抗器進行 最夕16個頻道之各頻道細調諧級之 之調諧特性如第4圖所示。 白動作弟3圖電路 控制ί 5餅圖_係垃含s有V⑶之閉路式頻率合成11示意圖。當一 ί擇：&於該VC〇之暫存器寫入一適當值時，該值之 :諧之頻率而定。根據輸入該暫存器的值，可 二個初ΐ的Γ器將會切入該vco調諧電路，藉以提供該vco 率：調諧手段。該頻率合成器中，vco之輸出頻 做比較。該比較結果被轉換成另-種 瓜式以供進行該VC0的細調諧動作直到相位比較器（phase 二tor)兩輸入端由該vco提供之輸出頻率及相位與該 :體；盛15提供之參考頻率及相位完全-致時為止。此 等，《產生一顯示頻率已經鎖住之鎖定信號。 i A T過問題就是發生在當細調諧引起調諧電壓超出調 =曲線的極端部位（如第丨圖所示）的時點上，即一鎖定的 作過於靠近曲線的極端部位，極可能導致飄移（例如因 度或電源電壓的改變）而造成失鎖或無法重新調諧的

II η 第8頁 5SS509 修正 曰 案號 9111j^〇 五、發明說明（3) 如本$明第—設計方針所指，一頻 —電壓控制振盪器，vco， 战為匕括有. 頻率之奘晉盥-工 ，、具有了供細調諧該振盪 右干可供粗調譜該振蘯器頻率之可切換電 VCO之輸出或其衍生信號之頻率與相位對一參 頻率k號做比較藉以提供一夢誤 多 _誤作辨禕仳义 、日誕“唬之第一比較裝置，該 錯d唬係供刖述裝置做為細調諧振盪器頻率之 裝置了：比較該錯誤信號與-個或更多參考值之第二比較 視今：= ί係用以接收該第二比較裝置之比較結果及 視f比較、纟σ果進行切換可切換電容 振盪器頻率者。 、敬閉以粗凋4 =所有粗調譜電容性元件的切換控制使成為頻 路之反饋信號，將可避免本發明之實施例 之，率鎖定發生於VCO細調諸範圍的端點部位，甚或因為 鎖定頻率落在調諧範圍之外主 ’ ’、、 卜而σ鎖疋失敗（在擇定粗調諧 頻率周圍）。超越與錯誤信號界限相當的參考信號之

該細調諧裝置的反應能力變得不足。 A ^以細調譜該vco之裝置上配設一對可各自接收該 錯誤仏號的變抗器，是一種可以稱道的做法。 —值得提的疋，该等用以粗調諧振盪器頻率的可切換 性元件，各包含一與電晶體開關串聯之電容器；該控 制裝置包含一暫存器以供存放定義該可切換電容性元件 (啟或閉）之數值；該暫存器可被一控制器寫入以定義該等 _可切換電容性兀件之初始設定；該控制器係可依據比較該 第9頁 588509 月 曰 —修正 案號 91118230 五、發明說明（4) -- 錯5吳k號與一或更多參考值德之έ士要 存器内數值者。 後之、口果而改變存放於該暫 、、其次值得一提的是，該頻率合成器設有一 該錯誤號；過濾後的錯誤信號被送至該i二比較 x置及该振盈器頻率細調諸裝置。 再者，该第一比較裝置為一鎖相迴路， 又，該第二比較裝置係用以比較錯誤信號盥。一 、錯块信號之極大與極小界限之參考值，其蛀二ς ;信號大於最大界限或小於最小界限或居於 ;2間。若結果顯示錯誤信號小於最小界限，則控制器將 g啟另一個電容性元件以增加VC〇調諧電路的電六工-’ ^丄若發現錯誤信號大於最大界限，則控制器將4閉一 電谷性元件以降低VCO調諧電路的電容；又若錯誤〗個 於最大與最小界限之間，則電容性元件的設定曰維持y:居 ^ 又，值得一提的是，該控制裝置係在一個或以上交雷 奋性7〇件的切換動作後，再經過一預先定義之延時 $料 結果採取行動。此一做法有利於實施進一步 b从a f 保持系統穩定。 A ’ ^又，值得一提的是，該第一比較裝置包含有提供一錯 定信號於其輸出端之裝置，以指示VC0輸出之頻率與相、 是否已鎖定於參考信號或其衍生信號之頻率與相位、。目位 值传一提的是，該鎖定信號係k供給該控制裝置者 士 = 制裝置對鎖定信號的回應為一禁止任何可切換電容性一 之進一步切換動作。 牛 如本發明第二設計方針所指’一種用以控制頻 -----------—____平己成 y »·,ν 仇 III _ _______Γ 〜--- 第10頁 588509 -- --~^1118230^_年月 g__修正_1 五、發明說明（5) 器之電壓控制振盪器（VCO)之方法，包括以下若干步驟： 口 比較该VCO之輪出或其衍生之信號與一參考頻率信 5虎’及提供一指示該兩信號間頻率與相位差之錯誤信號； 運用該錯誤信號以控制該VCO之細調諧變抗器而達成 振盛器頻率之細調諧目的； 比較該錯誤信號與一個或以上之參考信號以產生/個 或以上之切換信號；及 使用該（等）切換信號以控制可切換電容性元件而達成 粗調譜該振盪器頻率之目的。 請參閱第1〜5圖所示之既有電壓控制振盪器（VCOs)與 VC0控制系統。 f6圖所示為一可提供頻率穩定之信號且可積體化進 入:单晶片之頻率合成器。頻率合成器的最典型用途為使 用於寬頻接收器，如衛星或有線電視廣播之接收器等。從 頻率合成器產生的信號係與接收的信號混合以隔離出某一 頻道’例如一觀賞者之選台動作即屬之。 一該頻率合成器之電壓控制振盪器VC01之結構與第3圖 所示者頗為相似’皆設有一組變抗器（v a r c t r)以供該振 盪器1細調諧之用，另配置有相互對稱的若干組電容性切 換凡件（各含一電容器與一電晶體開闢）以供VC01之粗調諧 用途。如第3圖的例子顯示，兩組分別具有四只切換元件 共可提供1 6個粗調諧位置，而用以切換調諧元件的電晶體 係接又一控制邏輯閘2之控制。該控制邏輯閘2包括一内含 定義該等電晶體設定之4位元暫存器。該暫存器之輸出係 i對·稱方式施加於該兩組切換元件之電晶體，致使該等元

588509 _案號91118230_年月1日 倐正 五、發明說明（6) 件依據暫存器之位元特定值而產生導通或斷路動作。 該VC01係將輸出施加於一鎖相迴路（pll，Phase locked lo〇p)3之輸入端，且該PLL3亦從另一輪入端接收 一來自晶體振盪器4之信號。該VC0信號被PLL3除法分割後 與晶體振盪器的信號進行相位與頻率的比較，然後在p L [ 3 一輸出端會顯示一錯誤信號。唯獨兩信號互相鎖定時，纔 會輸出一鎖定信號。 该P L L 3係將（差異）錯誤信號送交一低通渡波器（l ρ ρ

Low pass filter)5。通過LPF的錯誤信號被提供給該”〇1 之細調咱變抗器之控制輸入端’同時也提供給一對比較5| 6a/6b，該等比較器6a/6b之第二輸入端分別從一參考電壓 發生器7各自輸入參考信號，然後提供其輸出給該控制 輯閘2。 該控制邏輯閘係與一平行位址及資料匯流排8 (丨2c bus)相接。例如在選定某一新頻道時，一控制處理器（未 =)會立即將一特定值拋給該匯流排8，然後載入該控制邏 輯閘2的暫存器中。此值係用以定義該vc〇1之可切換電容 性元件之設定，以便將該VC01粗調諧至已擇定頻道之頻 ^三而且，該新值亦送給PLL3以設定其除頻電路。然後該 暫存器值送給該兩組可切換元件之輸入端，以進行該v 之再調諧。 产，即產生一代表該已除頻vco信號與晶體振1 ^間相位與頻率差之錯誤信號。請參閱第2圖，該錯誤 4 口被（相當於t u n e ( v ))在斗苜、玄八士 口口上丄 田 在頻率合成态對粗調諧操作的正常 一__I__^ Ϊ S》各在該調請曲線的中段某處（隨設計不同而

第12頁 五 修正 曰 j 號 9111 奶 An 、發明說明（？） 有差異）。果直如此昧 到達鎖~ ^ 此守’ /、要稍微調整該變抗器電容應可 關係，5 i f則，因為一大堆原因（例如溫度影響）的 置，及二1= # ^ 5虎有時非但不會落在該調諸曲線的中段位 反而趨近曲線的端點。 延時二ί m暫存器之值初始設定後，用預先定義之 將哕征l剧入端的控制錯誤進行測試的結果，發現 予以程式化有助於控制迴路的機動性。 義了 _二^電[發生器7產生的兩個參考信號經選擇後定 就不Iΐ ^號的上限與下限。一旦超出該界限，調諧曲線 =性變化。目此，第—比較器6a係用以查核該 i是否高於該上限，發現果然超出時，該比較器6a 二出一個「上」切換信號給該控制邏輯閘2。類似的 :第一比較器6b係用以查核該錯誤信號是否低於該下 ^ # f現果然超出時，該比較器6a立刻發出一個「下」切 二/唬給該控制邏輯閘2。該控制邏輯閘2對一「上」切換 ^ 5虎的回應是減少該暫存器的值以降低該vc〇内可切換電 各凡件的電容，藉以再粗調諳該vc〇至高一階的頻率。同 樣地，該控制邏輯閘2對一「下」切換信號的回應是提高 遠暫存器的值以增加該VC0内可切換電容元件的電容，藉 以再調諸該VCO至低一階的頻率。必要時，這種循環操^ 可以不斷重複（跟隨另一延時動作）以進一步粗調借談 VC01。 …乂

當該PLL3偵測到頻率已經鎖定時，會產生一鎖定信號 、’、石予邊控制閘2的輸入端，而該控制閘2係以阻止v [ 〇之任 h進一步粗調諸動作以回應該鎖定信號〇系統從此保持穩 588509 並 91118230 年 月 曰 修正 五、發明說明（8) 定狀態直到該控制處理器重寫一新值至該控制處理器之暫 存器為止。 第7圖係一流程圖用以進一步說明第6圖中控制vc〇i 架構。至於選擇電容器用之其他外部控制之操 列入本流程圖中’但與此處無甚關聯。 ' ^ ’、 以上，對於熟悉本技術領域的人 本理念當可運用於其他不同的方 ’本發明的基 例僅供例證而非用以限制其杂> μ 故本發明提示之實施 化仍應受申请專利範圍各由 乾圍者’惟任何引伸之變 Τ 4項之節制。

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第1圖係一簡單型CM0S電壓控制振盪器之電路圖； ^ 2圖係用以說明第1圖中電路之調諧特性； 第3圖係顯示搭配一組可切換電容器之CM〇s電壓控制 振盪器之電路圖； 第4圖係用以說明第3圖中電路之調諧特性； 第5圖係用以說明一包含有電壓控制振盪器及鎖相迴 路之頻率合成器示意圖； ，6圖係本發明一實施例之頻率合成器示意圖；及 第7圖係一用以說明一機構之控制第6圖中頻率合成器 之電壓控制振盪器流程圖。 【圖式標號說明】 1------ _一-電壓控制振盪器（vco) 2------ ---控制邏輯閘、控制裝置 3------ 一-鎖相迴路（PLL) 4 - 晶體振盪器 5 - 一低通濾波器（LPF) 6a----- 第一比較器 6b - 一第二比較器 7 - -參考電壓發生器 8------

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Claims (1)

1. 观509 月 曰 案號的118g迎一^一 A '中請專_® " ^ 1. 一種頻率合成器，包括有： 一電屢控制振盪考，v 甘曰士 振盪器頻率之裳置A若;可徂4二其具有一可供細調諸該 換電容性元件； 干可彳，、粗凋谐該振盪器頻率之吁切 考頻率信i:c°比之較V以或提其:L生^ 該錯誤信號係供前述裳置做==第-比較裝置， 置做為、、、田奋周谐振盈器頻率之； 較裝置^ ^纟交該錯誤信號與一個或更多參考值之第二比 控制裝置係用以接收該第二比較士 :: 見該比較結果進行切換可切 3 :: 諧振盪器頻率者。 μ干之啟閉以粗π 可』⑶？調’上利之範/置第=^ ^ 器係可各別接收該錯\置信包號括者有一對變抗器，且該等變抗 等用3以：：：：範圍第1項所述之頻率合成器，其中該 一與電晶體開關串接之電容器。 牛中各3有 4·如申請專利範圍第丨項所述之 控制裝置包括有-暫存器用以存 口成盗，其中該 元件之數值，又1由兮^ 我為寺可切換電容性 或以上參考值之= 該錯誤信號與-個 5如由铁車w t 而改變§亥暫存器之值者。 明專利fe圍第1項所述之頻率合 括-用以職該錯誤信號之低通纽器^，進而包 、二過该低通濾波 第16頁 年 月 丄山 1^_9Π18230 ”、申請專利範圍 ^ ^錯誤信號係提供給該第一比較裝置及該用以細調諧振 盛益頻率之裝置者。 •如申請專利範圍第1項所述之頻率合成器，其中該 比較裝置係一鎖相迴路（PLL )。 第—7 ·如申請專利範圍第1項所述之頻率合成器，其中該 之i ^較装置係用以比較錯誤信號與一對相當於錯誤信號 最大衣與極小界限之參考值，其結果顯示該錯誤信號大於 結果_限或小於最小界限或居於最大與最小界限之間；若 電容i不1誤信號小於最小界限，則控制器將開啟另一個 誤信號5二3 T加^0調譜電路的電容；反之，若發現錯 降低vco調諧電路界的限電容則控制器將關閉一個電容性元件以 控二頻率合成器’其中該 經過一預先定義之延時纔針2^ 件的切換動作後，再 9.如申請專利範圍第1項‘較結果採取仃動。 第一比較裝置包含有提供一錯所/4之頻率合成器，其中該 以指示VCO輸出之頻率與相位9定信號於其輸出端之裝置， 衍生信號之頻率與相位、；且兮是否已鎖定於參考信號或其 置者；及該控制裝置對鎖定f，定信號係提供給該控制裝 電容性元件之進一步切換$ S號的回應為禁止任何可切換 1 0 · —種用以控制頻率合 α 之方法，包括以下若干步驟"·成器之電屢控制振盪器（vco) 比較該vco之輸出或 >、付生之信號與一參考頻率信 第17 588509 _案號91118230_j年月 日 修正____ 六、申請專利範圍 號，及提供一指示該兩信號間頻率與相位差之錯誤信號； 運用該錯誤信號以控制該VC0之細調諧變抗器以進 行振盪器頻率之細調諧； 比較該錯誤信號與一個或以上之參考信號以產生 一個或以上之切換信號；及 使用該（等）切換信號以控制可切換電容性元件以 進行振盪器頻率之粗調諧。

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