TWI363486B - - Google Patents

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Description

101年.03月01日修正替換頁 特別是有關於一種使 1363486 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 [0001] 本發明是有關於一種壓控振盪器 用可變電感之電壓控制振盪器》 【先前技術】 [0002] 壓控振盡器（Vol tage-Control led 〇sci 1 lator vco)是-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，常被應 用在諸如頻率調變（FM)、相位調變（PM)或脈波寬度調變 (PWM)等電路。高頻壓控振盪器在控制振盪頻率時，通常 是利用變容二極體C與電感L所組成的^諧振電路來調整 振盪頻率。例如提高變容二極體的逆向偏壓，使變容二 極體内的空乏區加大，進而導致變容二極體内兩導體面 之距離變長，因而降低電容值；藉此，LC諧振電路的頻 率就會提高。反之，降低逆向偏壓時，變容二極體内的 電容值會變大，LC諧振電路的頻率就會降低。而低頻壓 控振盪器則依照不同的頻率範圍來使用不同的控制方法 ，例如以控制電流大小，來改變電容的充電速率。 [0003] 在習知技藝之CMOS電壓控制振盪器（VC0)中，如美國專 利公告號第7, 1 96, 592所提出之CMOS電壓控制振盥器， 其以一電容器串聯可變電阻以製作可變電容，然而，當 所需要的振盪頻率升高到一定的程度時（例如6〇GHz)，由 於可變電容品質參數（Q值）下降之故，同樣的負阻抗電路 所能容忍的最大可變電容值將大幅降低，因而導致其可 調整的頻率範圍下降且將無法被應用於寬頻的系統當中 〇9713432产單編號 A0101 第3頁/共22頁 1013077432-0 1363486 101年03月01日按正替换頁 [0004] 而習知技藝之使用可變電感之電壓控制振盪器，如美國 專利公告號第7, 268, 634所提出之CMOS電壓控制振盪器 ，則當需要較高之頻率解析度時，必須如其所教示之使 用許多CMOS開關電容對，這些需要完全開關的CMOS開關 電容對將具有可觀的寄生電容、面積與複雜的佈線，因 此其振盪頻率將受限於這些非理想效應。 【發明内容】 [0005] 有鑑於上述習知技藝之各項問題，本發明之目的就是在 提供一種使用可變電感之電壓控制振盪器，以解決習知 之電壓控制振盪器於高頻時所產生的可調整範圍下降及 寄生電容過大等問題。 [0006] 根據本發明之目的，提出一種電壓控制振盪器，其包含 一可變電感、一負阻抗提供電路、一工作電壓源及一接 地點。可變電感包含一變壓器及一電晶體開關，變壓器 包含一次側線圈與二次側線圈；一次側線圈包含第一線 圈與第二線圈，且第一線圈串聯第二線圈；二次側線圈 包含第三線圈與第四線圈，且第三線圈串聯第四線圈。 電晶體開關並聯於一次側線圈，以根據一閘極電壓調整 可變電感之電感值。負阻抗提供電路並聯於二次側線圈 ，以補償電壓控制振盪器於振盪時之功率消耗。工作電 壓源電性連接於第三線圈與第四線圈之間，接地點電性 連接於第一線圈與第二線圈之間。藉此，電壓控制振盪 器之振盪頻率受控於電感值，而電感值則可由閘極電壓 值來調整。 09713432^^^^* A〇101 第4頁/共22頁 1013077432-0 1363486 ' 101年03月01曰核正_頁 [0007] 承上所述，因依本發明之使用可變電感之電壓控制振盪 器，具有以下優點： ， [0008] (1)本發明將可使CMOS壓控振盪器或數位碼控制振盪器同 時擁有相當高的振盪頻率、大頻率調整範圍與高頻率解 析度。 [0009] (2)本發明是利用變壓器與可變電阻為基礎，因而無需任 何可變電容，且僅需一組可完全開關的電晶體開關即可 達成可變電感的設計。若將其使用在壓控振盪器或是數 位碼控制振盪器下，其將有能力操作於相當高的振盪頻 率、頻率解析度並同時擁有大頻率調整範圍。 [0010] (3)本發明可解決高頻時壓控振盪器頻率調整範圍過窄， 以至於無法應用於寬頻系統的問題。且對數位碼控制振 盪器而言，在相同的頻率解析度下，本發明將可達到更 高的振盪頻率。 【實施方式】 [0011] 請參閱第1圖，其係為本發明一實施例之使用變壓器與可 變電阻所達成之可變電感的結構示意圖。圖中，可變電 感10包括一變壓器T與一可變電組Rt，且變壓器T包含一 次側線圈P1與二次側線圈P2。從二次側線圈P2看入，此 可變電感10可等效為等效電路20，且其等效電阻R 與等 eq 效電感L 可計算如下： eq [0012] _/^2Lf+a)2LjL22(l_k2f eg~ ^%+ω%ΐΐ(ΐ-^) 09713432# 單編號 Α_ 第5頁/共22頁 1013077432-0 1363486 1101年03月01日俊正替
2LlL2(l~k2J k2Rt [0013] 其中ω為頻率，為變壓器了之耦合參數，h為一次側線 圈之電感值，L2為二次側線圈P2之電感值》 [0014] 由上式中可發現，當可變電組r改變時，等效電感[亦 t pn 4 會改變。此可變電感1〇在極高頻時之等效電感L與品質 eq ^ 參數Q=Req/ ω Leq對於可變電阻\的關係曲線如第2圖所 示。由第2圖可以看出本實施例之可變電感1〇在極高頻時 ’特別是在頻率高達60GHz時，有很穩定的品質參數q， 且等效電感Leq對可變電阻\之斜率亦相對穩定。 [0015] 请參閱第3圖，其係為本發明之可變電感以電晶體開關取 代可變電阻之結構示意圖。在CM0S積體電路設計中，上 述之可變電阻\可以用一個電晶體開關來實現。圖中， 可變電感30係以電晶體開關河^心並聯於變壓器T之一次 側線圈Ρ1以取代可變電阻\，並藉由閘極電壓、來達到 調整電阻值之目的。藉此，本發明之可變電感3〇可輕易 地融入積體電路製程中，並透過閘極電遷V來提升對於
G 可變電阻Rt之調控精準度。 [0016] 請繼續參閱第4圖，其係為本發明之使用可變電感之電壓 控制振盪器之結構示意圖。圖中，本發明之電壓控制振 盪器包含一可變電感40、一負阻抗提供電路5〇、一工作 電壓源60及一接地點VGND。可變電感4〇之工作原理已詳 述於前，在此不予贅述’而僅揭示其於本發明一實施例 之結構如下：可變電感40包含一變壓器τ及一電晶體開關 09713432户單编號 A〇101 第6頁/共22頁 1013077432-0 1363486 101年.03月01日修正替換頁 Μ ，變壓器Τ包含一次側線圈Ρ1與二次側線圈Ρ2 ; — tune 次側線圈P1包含第一線圈P11與第二線圈P12，且第一線 圈P11串聯第二線圈P12 ;二次侧線圈P2包含第三線圈 P21與第四線圈P22，且第三線圈P21串聯第四線圈P22。 電晶體開關M+ 並聯於一次側線圈P1，以根據一閘極電 tune 壓VG調整可變電感40之電感值；因此，電晶體開關M + tune 可為一NM0S場效電晶體開關、一PM0S場效電晶體開關或 一 CMOS場效電晶體開關。 [0017] 電壓控制振盪器之負阻抗提供電路50並聯於二次側線圈 P2，以補償電壓控制振盪器於振盪時之功率消耗，此負 阻抗提供電路50之結構與工作原理為習知此技藝者所知 悉，在此不予贅述而僅提供如第4圖所示之負阻抗提供電 路50以作為一實施例，並非以此為限；亦即，於本技術 領域中具有通常知識者，可輕易設計出其他結構之負阻 抗提供電路而不妨礙本發明之施行。 [0018] 工作電壓源60電性連接於第三線圈P21與第四線圈P22之 間，以提供一工作電壓VDD予電壓控制振盪器；此外，工 作電壓源60於一實施例中可串接一工作偏壓Vbias以接收 諸如頻率調變（FM)、相位調變（PM)或脈波寬度調變 (PWM)等電壓訊號。最後，接地點VGND則電性連接於第 一線圈P11與第二線圈P12之間。藉此，電壓控制振盪器 之振盪頻率受控於電感值，而電感值則可由閘極電壓值 來調整。亦即，改變閘極電壓^即可改變其振盪頻率。 u 第5圖即為使用130nm CMOS時，閘極電壓^與振盪頻率 υ 的關係曲線圖；由圖中可發現振盪頻率接近60GHz時，此 09713432产單編號 A〇101 第7頁/共22頁 1013077432-0 1363486 [㈤ 19] [0020] 101 年.03月 壓控振盪器仍有約16. 63%(51〜60 GHz)的頻率調整範圍 〇 請參閱第6圖，其係為本發明一實施例之使用可變電感之 電壓控制振盪器之結構示意圖。於本實施例中，電晶體 開關Μ 係以一場效電晶體開關陣列7〇來取代之；藉此 tune ，場效電晶體開關陣列70可使本發明之壓控振盪器具有 頻率粗調機制與頻率細調機制。亦即，場效電晶體開關 陣列70可包含一受控於類比電壓訊號Vfine的場效電晶體 開關及n + 1個受控於數位電壓訊號Bit 0〜Bit η的場效 電晶體開關；上述之諸多場效電晶體開關可彼此並聯而 構成上述之場效電晶體開關陣列70。藉此，本實施例可 透過數位電壓訊號Bit 0〜Bit η對壓控振盪器進行粗調 ，並透過類比電壓訊號乂丨―對其進行細調。值得注意的 是’場效電晶體開關陣列70可藉由切割電晶體開關μ tune 來達成，因而不增加其寄生電容。此外，當本發明之使 用可變電感之電壓控制振盪器應用於高頻高解析數位碼 控制振盪器（DC0)時，可將場效電晶體開關陣列7〇設計為 如第7圖所示之場效電晶體開關陣列71，進而完全由數位 碼控制器來調控數位電壓訊號Bit 〇〜Bit η ;而且若 需要增加頻率解析度時，亦可採用如第8圖所示之具有開 關電阻對之場效電晶體開關陣列72。承上所述，數位電 壓訊號Bit 0〜Bit η較佳可連接一使用fracti〇nabN 控制碼之數位控制器’以達到高頻率解析度之要求。 最後’請參考第9圓，其係為本發明一實施例之電壓控制 振盛器之結構示意圖。圖中，可變電感4〇、負阻抗提供 第8頁/共22頁 09713432#單编號 A〇101 1013077432-0 1363486 101年03月01日修正裔换頁 電路50與工作電壓源60之詳細實施方式皆已敘述於前， 在此不予贅述。本實施例之電壓控制振盪器更可包括一 可變電容80，此可變電容80係並聯於二次側線圈P2，以 增加本實施例之電壓控制振盪器的頻率調整範圍。此外 ，若為了提高本實施例之電壓控制振盪器的頻率解析度 ，則可變電容80亦可由一開關電容陣列來實現之。 [0021] 以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本 發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均 應包含於後附之申請專利範圍中。 【圖式簡單說明】 [0022] 第1圖係為本發明一實施例之變壓器與可變電阻所組成之 可變電感的結構示意圖； 第2圖係為本發明一實施例之可變電感之等效電感與品質 參數對於可變電阻之關係曲線圖； 第3圖係為本發明之可變電感以電晶體開關取代可變電阻 之結構不意圖， 第4圖係為本發明之使用可變電感之電壓控制振盪器之結 構不意圖， 第5圖係為本發明之電壓控制振盪器之閘極電壓與振盪頻 率的關係曲線圖； 第6圖係為本發明一實施例之電壓控制振盪器之結構示意 圖， 第7圖係為本發明一實施例之場效電晶體開關陣列之結構 不意圖， 第8圖係為本發明一實施例之具有開關電阻對之場效電晶 0971343#單編號 A_ 第9頁/共22頁 1013077432-0 1363486 101年03月01日梭正替換頁 體開關陣列之結構示意圖；以及 第9圖係為本發明一實施例之電壓控制振盪器之結構示意 圖。 【主要元件符號說明】 [0023] BitO〜Bitn :數位電壓訊號；
Leq :等效電感；
Mtune .電晶體開關， P1 : —次側線圈； P11 :第一線圈； P12 :第二線圈； P2 :二次侧線圈； P21 :第三線圈； P22 :第四線圈； '
Req :等效電阻；
Rt :可變電阻； T :變壓器；
Vbias :工作偏壓； VDD :工作電壓；
Vfine :類比電壓訊號； VG :閘極電壓； VGND :接地點； 10、30、40 :可變電感； 20 :等效電路； 50 :負阻抗提供電路； 60 :工作電壓源； 70、71、72 :場效電晶體開關陣列；以及 1013077432-0 09713432#單编號A〇101 第10頁/共22頁 1363486 101年.03月01日梭正替換頁 8 0 :可變電容。 09713432产單編號腫01 第11頁/共22頁 1013077432-0

Claims (1)

  1. !363486 101年.03月01日按正替換頁 七、申請專利範圍： 1 . 一種電壓控制振盪器，其包含： 一可變電感，其包含： 一變壓器，包含--次側線圈與一二次側線圈，該一次側 線圈包含一第一線圈與一第二線圈，且該第一線圈串聯該 第一線圈’ s玄一次側線圈包含一第三線圈與一第四線圈， 且該第三線圈串聯該第四線圈；以及 一電晶體開關’係並聯於該一次側線圈，用以根據一閉極 電壓調整該可變電感之一電感值； 一負阻抗提供電路，係並聯於該二次側線圈，用以補償該 電壓控制振盪器於振盪時之功率消耗； —工作電壓源，係電性連接於該第三線圈與該第四線圈之 間；以及 一接地點，係電性連接於該第一線圈與該第二線圈之間； 其中，S亥電麼控制振盈器之一振盪頻率係受控於該電感值 ί 其中，該電晶體開關為一場效電晶體開關陣列，該場效電 晶體開關陣列受控於一數位控制器，該數位控制器為一使 用fractiona卜Ν控制碼之數位控制器。 2 .如申請專利範圍第丨項所述之電壓控制振盪器，其中該電 晶體開關包含一NM0S場效電晶體開關、一pm〇s場效電晶 體開關或一CMOS場效電晶體開關。 3 .如申請專利範圍第丨項所述之電壓控制振盪器，其中該場 效電晶體開關陣列之一部份場效電晶體係用以頻率細調。 4 .如申請專利範圍第3項所述之電壓控制振盪器，其中該場 09713432^單編號 AOim 第12頁/共22頁 1013077432-0 1363486 101年.03月Ol·日按正替換頁 效電晶體開關陣列之另一部份場效電晶體係用以頻率粗調 〇 5 .如申請專利範圍第1項所述之電壓控制振盪器，其中該二 次側線圈可並聯一可變電容以增加該電壓控制振盪器之一 頻率調整範圍。 6 .如申請專利範圍第1項所述之電壓控制振盪器，其中該二 次側線圈可並聯一開關電容陣列以提高該電壓控制振盪器 之一頻率解析度。 7 .如申請專利範圍第1項所述之電壓控制振盪器，其中該工 作電壓源進一步串接一工作偏壓，以接收頻率調變（FM) 、相位調變（PM)或脈波寬度調變（PWM)之電壓訊號。 09713432浐單麟 A〇101 第13頁/共22頁 1013077432-0
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