TWI392220B - 電壓控制振盪裝置 - Google Patents

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Description

電壓控制振盪裝置
本發明係與一種電壓控制振盪裝置有關，且特別係與一種多相位的電壓控制振盪裝置有關。
在現今的技術中，電壓控制振盪裝置(Voltage controlled oscillator,VCO)的種類大概可以分成三種，其等分別為考畢茲(Colpitts)、哈特利(Hartely)以及交相耦合(Cross-couple)三種類型。其中大部分的電壓控制振盪裝置都是利用電感以及電容所構成的共振電路(或稱為共振槽或共振腔)，來完成基本的振盪功能。電壓控制振盪裝置常被應用在鎖相迴路(Phase Lock Loop,PLL)中，而在綠色設計的前提下，這種鎖相迴路的功率消耗常是設計者所注意的重點。其中，如何在鎖相迴路中設計一個省電的電壓控制振盪裝置，就成為一個重要的課題。
以下請參照圖1，圖1繪示一種習知的並聯耦合四相位電壓控制振盪裝置100。電壓控制振盪裝置100係利用電感L21 、L22 以及電容C21 、C22 、C23 及C24 來組成電感電容共振電路，並且利用電晶體M21 、M22 、M23 及M24 的分別組成兩個一階的交相耦合電晶體電路，這兩個交相耦合電晶體電路，係用以產生負電阻以抵消與其相連接的電感電容共振電路的能量消耗。電壓控制振盪裝置100則是利用串聯的電晶體M21 、M22 、M23 及M24 進行耦合，來產生四相位的輸出信號I2 +、I2 -、Q2 +及Q2 -。由於這種習知的電壓控制振盪裝置100使用串聯的電晶體(例如電晶體M21 及M25 )，因此需要較高電壓的系統電壓Vdd 而使得整體的功率消耗上升。並且，使用串聯電晶體耦合的方式上，也會因為電晶體所產生的雜訊而使得整體的相位雜訊的表現變差。
接著請參照圖2，圖2繪示一種習知的電壓控制振盪裝置200。電壓控制振盪裝置200中包括由電晶體M31 、M32 、M33 及M34 所組成的互補式交相耦合電晶體電路，以及由電感L31 及可變電容C31 、C32 所組成的電感電容共振電路。其中，互補式交相耦合電晶體電路係用以提供負阻抗而可變電容C31 、C32 則是用以改變輸出信號的頻率。電壓控制振盪裝置200可以有效的改善交相耦合的電晶體M31 、M32 、M33 及M34 的線性度，並提升整體之相位雜訊的表現。但是由於其具有串聯的電晶體(例如電晶體M31 及M33 )，而在節省功耗的表現上仍然有待改進。
另外，請參照圖3所繪示的另一種習知的四相位電壓控制振盪裝置300。電壓控制振盪裝置300包括由電感L41 、L42 、L43 及L44 與可變電容C41 、C42 、C43 及C44 所組成的電感電容共振電路，以及由電晶體M41 、M42 、M43 、M44 所組成的交相耦合電晶體電路。電壓控制振盪裝置300係利用電感互感耦合來產生四相位輸出，並進而避免利用電晶體耦合所產生的雜訊，以提升電壓控制振盪裝置300整體之相位雜訊的表現。然而，電壓控制振盪裝置300並未能有效降低系統電壓Vdd ，而在功耗的表現上依舊未盡人意。
本發明提供一種電壓控制振盪裝置，其係用以產生多個不同相位的多個輸出信號，而可以有效改善相位雜訊。本發明並且可以降低所需要的操作電壓，而進一步降低功率的消耗。
本發明提出一種電壓控制振盪裝置，其包括多數個電壓控制振盪單元。其中的各電壓控制振盪單元係相互耦合並產生多個相位輸出信號，各電壓控制振盪單元則包括電感電容共振電路、交相耦合電晶體電路以及尾端電路。電感電容共振電路係將第一參考電壓與交相耦合電晶體電路加以耦接，尾端電路則將第一交相耦合電晶體電路加以耦接。並且，尾端電路包括第一、二偏壓控制電感以及第一、二電晶體。第一、二偏壓控制電感的一端係共同與偏壓電壓耦接。第一電晶體的第一源/汲極係耦接至交相耦合電晶體電路，而其之第二源/汲極則係耦接至第二參考電壓，其之閘極係耦接至第一偏壓控制電感的另一端。第二電晶體的第一源/汲極係耦接至交相耦合電晶體電路，其之第二源/汲極則係耦接至第二參考電壓，其之閘極係耦接至第二偏壓控制電感的另一端。
在本發明之一實施例中，上述之第一偏壓控制電感可以提供第一電晶體一第一控制電壓，以控制第一電晶體的等效阻抗，而第二偏壓控制電感則可以提供第二電晶體一第二控制電壓，以控制第二電晶體的等效阻抗。
在本發明之一實施例中，上述之第一電晶體以及第二電晶體皆在三極管區進行作用。
在本發明之一實施例中，上述之相位輸出信號相位彼此間均不相同。
在本發明之一實施例中，上述之各電壓控制振盪單元的第一、二偏壓控制電感，以及與其相鄰的電壓控制振盪單元之電感電容共振電路係相互耦合，而使得相鄰的電壓控制振盪單元，可以產生相位輸出信號相位的其中之二者。
在本發明之一實施例中，上述之電感電容共振電路包括第一、二共振電感，以及第一、二共振電容。第一、二共振電感的一端係共同耦接至第一參考電壓，第一共振電容的一端係耦接至該第一共振電感的另一端，其另一端會接收調整電壓。並且，第二共振電容的一端係耦接至第二共振電感的另一端，而其之另一端則會接收調整電壓。
在本發明之一實施例中，上述之第一、二共振電容為電容值可以調整的可變電容。
在本發明之一實施例中，上述之交相耦合電晶體電路包括第一及第二交相耦合電晶體。其中，第一交相耦合電晶體具有閘極、第一源/汲極及第二源/汲極，其之第一源/汲極係耦接至電感電容共振電路，其之第二源/汲極係耦接至尾端電路的第一電晶體。第二交相耦合電晶體同樣係具有閘極、第一源/汲極及第二源/汲極，其之第一源/汲極係耦接至電感電容共振電路以及第一交相耦合電晶體的閘極，其之第二源/汲極係耦接至尾端電路的第二電晶體，且其之閘極係耦接至第一交相耦合電晶體的第一源/汲極。
在本發明之一實施例中，上述之第一參考電壓為系統電壓。
在本發明之一實施例中，上述之第二參考電壓為接地電壓。
在本發明之一實施例中，上述之第一、二電晶體為N型金氧半場效電晶體。
基於上述說明，本發明係藉由在尾端電路中提供偏壓控制電感，來與電感電容共振電路互感耦合以產生多相位的輸出信號。並且，本發明提供尾端電路中的電晶體來作為通道切換電阻，以改善交相耦合電晶體電路的線性度，並降低交相耦合電晶體電路中之電晶體的閃爍雜訊。另外，本發明並可以改善相位雜訊特性，並降低操作電壓，進而達到降低功率消耗。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
請參照圖4，圖4繪示本發明的一實施例的電壓控制振盪裝置400的示意圖。其中，電壓控制振盪裝置400包括電壓控制振盪單元410、420。電壓控制振盪單元410、420係相互耦合，並產生相位輸出信號I+、I-、Q+及Q-。電壓控制振盪單元410包括電感電容共振電路411、交相耦合電晶體電路412及尾端電路413。相類似的，電壓控制振盪單元420則包括有電感電容共振電路421、交相耦合電晶體電路422及尾端電路423。
在電壓控制振盪單元410中，電感電容共振電路411係耦接至參考電壓VDD 以及交相耦合電晶體電路412，交相耦合電晶體電路412則係另外耦接至尾端電路413。尾端電路413中包括偏壓控制電感L55 、L56 、電晶體M55 及M56 。其中，偏壓控制電感L55 的一端係耦接至偏壓電壓Vbias 而其之另一端則係耦接至電晶體M55 的閘極。電晶體M55 的源極係耦接至參考電壓GND，而其之汲極則係耦接至交相耦合電晶體電路412。另外，偏壓控制電感L56 的一端係耦接至偏壓電壓Vbias ，而其另一端則係耦接至電晶體M56 的閘極。電晶體M56 的源極係耦接至參考電壓GND，而其之汲極則係耦接至交相耦合電晶體電路412。
在此要注意的是，電晶體M55 、M56 也可以配置成使得其之汲極耦接至參考電壓GND，而其之源極則耦接至交相耦合電晶體電路412的方式，圖示所呈現的僅只是一個範例，而不是用於限縮本發明的實施方式。上述的參考電壓GND在本實施例中係為接地電壓，參考電壓VDD 則可以是電壓控制振盪裝置400的系統電壓。
在本實施例中，偏壓控制電感L55 可以提供電晶體M55 控制電壓，來控制電晶體M55 的等效阻抗。這個控制電壓的平均值將可以由偏壓控制電感L55 所接收的偏壓電壓Vbias 來決定。並且電晶體M55 將會依據控制電壓來在三極管區以進行操作。也就是說，在本實施例中的電晶體M55 可以視為是一個通道切換電阻，而其電阻值的大小則係由偏壓控制電感L55 所提供的控制電壓所決定。
同樣的，偏壓控制電感L56 可以為電晶體M56 提供控制電壓，來控制電晶體M56 的等效阻抗。這個控制電壓的平均值，將可以由偏壓控制電感L56 所接收的偏壓電壓Vbias 來決定。並且電晶體M56 會依據控制電壓來在三極管區以進行操作。也就是說，在本實施例中的電晶體M56 同樣可以視為是一個通道切換電阻，而其電阻值的大小則是由偏壓控制電感L56 所提供的控制電壓所決定。
由上述的說明可以得知，本實施例的電壓控制振盪裝置400，並不會因為設置了電晶體M55 、M56 而使得參考電壓VDD 必須要對應的升高。換個角度來看，電壓控制振盪裝置400可以在比較低的系統電壓下進行操作，而有效的降低功率的消耗。
另外，由電晶體M55 、M56 所產生的通道切換電阻可以作為所謂的源極退化電阻(source de-generated resistor)。而本領域之一般習於此藝者都可以得知，此一源極退化電阻的設置，將可以有效的改善交相耦合的電晶體電路412的線性度，並減低交相耦合的電晶體電路412的閃爍雜訊，進而使得電壓控制振盪裝置400的相位雜訊的特性得到改善。
同時，在本實施例中，利用電感L55 、L56 來與電感電容共振電路421相互耦合，以及利用電感L57 、L58 來與電感電容共振電路411相互耦合的作法，也能夠藉著改變電感(電感L55 、L56 、L57 、L58 或是電感電容共振電路411、412中的電感)的品質因子(Q factor)之設定值，而提升電壓控制振盪裝置400之整體的品質因子，以讓電壓控制振盪裝置400的相位雜訊特性，可以更進一步得到改善。
與電壓控制振盪單元410相同的是，在電壓控制振盪單元420中，電感電容共振電路421係耦接至參考電壓VDD 以及交相耦合電晶體電路422，交相耦合電晶體電路422則係另外耦接至尾端電路423。尾端電路423中包括偏壓控制電感L57 、L58 、電晶體M57 及M58 。其中，偏壓控制電感L57 的一端係耦接至偏壓電壓Vbias ，而其另一端則係耦接至電晶體M57 的閘極。電晶體M57 的源極係耦接至參考電壓GND，而其之汲極則係耦接至交相耦合電晶體電路422。另外，偏壓控制電感L58 的一端係耦接至偏壓電壓Vbias ，而其之另一端則係耦接至電晶體M58 的閘極。電晶體M58 的源極係耦接至參考電壓GND，而其之汲極則係耦接至交相耦合電晶體電路422。
電壓控制振盪單元420的動作方式以及其所能產生的效應，係與電壓控制振盪單元410相同的，以下則不多加贅述。
附帶一提的是，在本實施例中的電晶體M55 ~M58 均為N型的金氧半場效電晶體(NMOS)。
接著請參照圖5，圖5繪示本發明的另一實施例的電壓控制振盪裝置500之示意圖。電壓控制振盪裝置500包括電壓控制振盪單元510及520。電壓控制振盪單元510則包括電感電容共振電路511、交相耦合電晶體電路512以及尾端電路513。電壓控制振盪單元520則包括電感電容共振電路521、交相耦合電晶體電路522以及尾端電路523。
電感電容共振電路511中包括共振電感L51 、L52 及共振電容C51 、C52 。共振電感L51 、L52 的一端係共同耦接至參考電壓VDD ，而共振電容C51 、C52 的一端則係分別耦接至共振電感L51 、L52 的另一端。共振電容C51 、C52 的另一端則係相互耦接，並共同接收調整電壓Vtune 。其中，共振電容C51 、C52 係為可變電容，並可以利用調整共振電容C51 、C52 的電容值來調整電壓控制振盪單元510所產生的相位輸出信號I+、I-的頻率。
交相耦合電晶體電路512則包括交相耦合電晶體M51 及M52 。其中，交相耦合電晶體M51 的汲極係耦接至電感電容共振電路511，並且係與共振電感L51 及共振電容C51 共同耦接，而其源極則係耦接至電晶體M55 。另外，交相耦合電晶體M52 的汲極係耦接至電感電容共振電路511，並且係與共振電感L52 及共振電容C52 共同耦接。並且，交相耦合電晶體M52 的汲極係耦接至交相耦合電晶體M51 的閘極。而交相耦合電晶體M52 的源極係耦接至電晶體M56 ，且其之閘極係耦接至交相耦合電晶體M51 的汲極。
上述的交相耦合電晶體M51 及M52 之源極與汲極的配置關係是可以相互調換的。也就是說電晶體M51 及M52 的源極可以改為耦接至電感電容共振電路511，而電晶體M51 及M52 的汲極則可以改為耦接至尾端電路513，而並不一定要侷限於須與圖5的繪示內容相同。
尾端電路513則包括偏壓控制電感L55 、L56 以及電晶體M55 、M56 。而本實施中的尾端電路513的構成方式與作動方法，係與前一實施例中的尾端電路413相同，在此則不多加說明。
另外，在電感電容共振電路521中包括共振電感L53 、L54 及共振電容C53 、C54 。共振電感L53 、L54 的一端係共同耦接至參考電壓VDD ，而共振電容C53 、C54 的一端則係分別耦接至共振電感L53 、L54 的另一端。共振電容C53 、C54 的另一端係相互耦接，並共同接收調整電壓Vtune 。其中，共振電容C53 、C54 為可變電容，並可以利用調整共振電容C53 、C54 的電容值，來調整電壓控制振盪單元520所產生之相位輸出信號Q+、Q-的頻率。
交相耦合電晶體電路522則包括交相耦合電晶體M53 及M54 。其中，交相耦合電晶體M53 的汲極係耦接至電感電容共振電路521，並且係與共振電感L53 及共振電容C53 共同耦接，而其之源極則係耦接至電晶體M57 。另外，交相耦合電晶體M54 的汲極係耦接至電感電容共振電路521，並與共振電感L54 及共振電容C54 共同耦接。同時，交相耦合電晶體M54 的汲極係耦接至交相耦合電晶體M53 的閘極。而交相耦合電晶體M54 的源極則係耦接至電晶體M58 ，且其之閘極係耦接至交相耦合電晶體M53 的汲極。
同樣的，上述的交相耦合電晶體M53 及M54 的源極與汲極之配置關係是可以被相互調換的。也就是說電晶體M53 及M54 的源極可以改為耦接至電感電容共振電路521，而電晶體M53 及M54 的汲極則可以改為耦接至尾端電路523。
尾端電路523包括偏壓控制電感L57 、L58 以及電晶體M57 、M58 。而在本實施例中的尾端電路523的構成方式與作動方法，係與前一實施例中的尾端電路423相同，在此則不多加說明。
在本實施例中，電壓控制振盪裝置500係將電壓控制振盪單元510中的偏壓控制電感L55 ，與電壓控制振盪單元520中的共振電感L54 耦合，將電壓控制振盪單元510中的偏壓控制電感L56 ，與電壓控制振盪單元520中的共振電感L53 耦合，將電壓控制振盪單元520中的偏壓控制電感L57 ，與電壓控制振盪單元510中的共振電感L51 耦合，並將電壓控制振盪單元520中的偏壓控制電感L58 ，與電壓控制振盪單元510中的共振電感L52 耦合，進而使電壓控制振盪單元510、520分別產生不同相位的相位輸出信號I+、I-以及Q+、Q-。
綜上所述，本發明藉由在多個電壓控制振盪單元中，配置由偏壓控制電感及電晶體所構成的尾端電路，而使得各電壓控制振盪單元，可以利用尾端電路的偏壓控制電感，來與相鄰的電感電容共振電路互相耦合，以進一步產生多個不同相位的相位輸出信號。其中，電晶體係受到偏壓控制電感的控制，依據偏壓電壓所提供的控制電壓而在三極管區以進行操作。在三極管區的電晶體的這些操作可視為通道切換電阻，進而使電壓控制振盪裝置具有優良的相位雜訊的表現，且可以降低其功率的消耗。另外，透過偏壓控制電感的品質因子的設計，則可以使電壓控制振盪裝置的相位雜訊的特性得到更進一步的改善。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100、200、300、400、500．．．電壓控制振盪裝置
410、420、510、520．．．壓控制振盪單元
411、421、511、521．．．電感電容共振電路
412、422、512、522．．．交相耦合電晶體電路
413、423、513、523．．．尾端電路
Vbias ．．．偏壓電壓
VDD 、GND．．．參考電壓
Vtune ．．．調整電壓
Vdd ．．．系統電壓
I2 +、I2 -、Q2 +、Q2 -、I+、I-、Q+、Q-．．．輸出信號
M21 ~M58 ．．．電晶體
C21 ~C58 ．．．電容
L21 ~L58 ．．．電感
圖1繪示一種習知的並聯耦合四相位電壓控制振盪裝置100。
圖2繪示一種習知的電壓控制振盪裝置200。
圖3所繪示另一種習知的四相位電壓控制振盪裝置300。
圖4繪示本發明的一實施例的電壓控制振盪裝置400的示意圖。
圖5繪示本發明的另一實施例的電壓控制振盪裝置500的示意圖。
400．．．電壓控制振盪裝置
410、420．．．壓控制振盪單元
411、421．．．電感電容共振電路
412、422．．．交相耦合電晶體電路
413、423．．．尾端電路
Vbias ．．．偏壓電壓
VDD 、GND．．．參考電壓
I+、I-、Q+、Q-．．．輸出信號
M55 ~M58 ．．．電晶體
L55 ~L58 ．．．電感

Claims (11)

  1. 一種電壓控制振盪裝置，其包括有：多數個電壓控制振盪單元，而各個該電壓控制振盪單元係相互耦合並產生多數個相位輸出信號，各個該電壓控制振盪單元包括有：一電感電容共振電路，其係與一第一參考電壓耦接；一交相耦合電晶體電路，其係與該電感電容共振電路耦接；以及一尾端電路，其係與該第一交相耦合電晶體電路耦接，包括：一第一偏壓控制電感，其之一端係耦接至一偏壓電壓；一第二偏壓控制電感，其之一端係耦接至該偏壓電壓；一第一電晶體，其具有閘極、第一源/汲極以及第二源/汲極，其之第一源/汲極係耦接至該交相耦合電晶體電路，其之第二源/汲極係耦接至一第二參考電壓，而其之閘極係耦接至該第一偏壓控制電感的另一端；以及一第二電晶體，其具有閘極、第一源/汲極以及第二源/汲極，其之第一源/汲極係耦接至該交相耦合電晶體電路，其之第二源/汲極係耦接至一第二參考電壓，其之閘極係耦接至該第二偏壓控制電感的另一端，其中，該第一電晶體的第一源/汲極與該第二電晶體的 閘極物理性隔離，且該第二電晶體的第一源/汲極與該第一電晶體的閘極物理性隔離，且該第一及該第二電感與該電感電容共振電路不相耦合。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電壓控制振盪裝置，其中該第一偏壓控制電感可以為該第一電晶體提供一第一控制電壓，以控制該第一電晶體的等效阻抗，該第二偏壓控制電感可以為該第二電晶體提供一第二控制電壓，以控制該第二電晶體的等效阻抗。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電壓控制振盪裝置，其中該第一電晶體以及該第二電晶體皆係在三極管區進行作用。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電壓控制振盪裝置，其中該些相位輸出信號相位彼此間均不相同。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電壓控制振盪裝置，其中各個該電壓控制振盪單元的該第一、二偏壓控制電感，以及與其相鄰的該電壓控制振盪單元的該電感電容共振電路係相互耦合，而使得相鄰的該電壓控制振盪單元，可以產生該相位輸出信號相位的其中之二者。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之電壓控制振盪裝置，其中該電感電容共振電路包括：一第一共振電感，其之一端係與該第一參考電壓耦接；一第二共振電感，其之一端係與該第一參考電壓耦接； 一第一共振電容，其之一端係與該第一共振電感的另一端耦接，而其之另一端則係接收一調整電壓；以及一第二共振電容，其之一端係與該第二共振電感的另一端耦接，而其之另一端則係接收該調整電壓。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之電壓控制振盪裝置，其中該第一、二共振電容係為可以調整電容值的可變電容。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之電壓控制振盪裝置，其中該交相耦合電晶體電路包括有：一第一交相耦合電晶體，其具有閘極、第一源/汲極以及第二源/汲極，其之第一源/汲極係與該電感電容共振電路耦接，其之第二源/汲極係與該尾端電路的該第一電晶體耦接；以及一第二交相耦合電晶體，其具有閘極、第一源/汲極以及第二源/汲極，其之第一源/汲極係與該電感電容共振電路及該第一交相耦合電晶體的閘極耦接，其第二源/汲極係與該尾端電路的該第二電晶體耦接，且其閘極係耦接至該第一交相耦合電晶體的第一源/汲極。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之電壓控制振盪裝置，其中該第一參考電壓係為系統電壓。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之電壓控制振盪裝置，其中該第二參考電壓係為接地電壓。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之電壓控制振盪裝置，其中該第一、二電晶體係為N型金氧半場效電晶體。
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