TWI437815B - Oscillator - Google Patents

Description

振盪器

本發明是有關於一種振盪器，特別是指一種低功率消耗的振盪器。

在許多高頻設備如手機的無線收發系統、高頻量測儀器或類比數位廣播系統等應用中均有一個壓控振盪器，用以提供一將低頻率的原始訊號提升至較高頻率所需要的載波，且該載波的輸出功率、振盪頻率、調變範圍及相位雜訊皆關係著接收機的解調能力，所以一種具有低功率消耗能延長如手機等可攜式行動產品的電力續航力，且又能提供以上所述特性之載波的壓控振盪器就格外重要。

參閱圖1，習知的一種考畢茲(Colpitts)振盪器1包含一轉導值為g_m 的電晶體Q₁ 、一電感11、一第一電容12、一第二電容13、一電流源14及一電阻15。該電晶體Q₁ 的閘極(gate)接收一偏壓V_bias ，該電感11及該電阻15在一第一電源16及該電晶體Q₁ 的汲極(drain)間並聯，該第一電容12跨接在該電晶體Q₁ 的汲極和源極(source)間，該第二電容13的兩端分別電連接到該電晶體Q₁ 的源極及一第二電源17，該電流源14電連接在該電晶體Q₁ 的源極與該第二電源17之間。

該考畢茲振盪器1在典型的情況下，需要滿足的振盪條件為方程式(1-1)，振盪頻率f ₀ 為方程式(1-2)，維持穩定的條件為方程式為(1-3)。

g _m L ₁₁ <<R ₁₅ (C ₁₂ +C ₁₃ )　式(1-1)

其中，L₁₁ 是該電感11的電感值，R₁₅ 是該電阻15的電阻值，C₁₂ 、C₁₃ 分別是該第一、第二電容的電容值。當方程式(1-3)中的C ₁₂ /C ₁₃ =1時，g _m R ₁₅ 的最小值為4。

由於轉導值g _m 和功率消耗成正相關，且該種考畢茲振盪器1所需的穩定振盪條件(g _m R ₁₅ 4)的最小值較一般交錯耦合壓控振盪器所需的穩定振盪條件(g _m R ₁₅ 1)的最小值大4倍，所以需要使用更多的電流以及更大的電晶體尺寸才能達到所需要的振盪條件，進而大幅降低可攜式無線通訊產品的待機時間並增加產品體積。

因此，本發明之目的，即在提供一種低功率消耗的振盪器。

於是，本發明振盪器，包含一第一變壓器與一第二變壓器、一第一電晶體、一第二電晶體、一第三電晶體與一第四電晶體及兩電容單元。

每一變壓器包括一第一繞組與一第二繞組，每一繞組包括一第一端及一第二端，每一變壓器的第一與第二繞組的第二端具有相同的電壓極性。

每一電晶體具有一第一端、一第二端及一控制端。其中，該第一與第二變壓器的第一繞組的第一端適用於電連接到一第一電源，該第一與第三電晶體的第一端分別電連接到該第一與第二變壓器的第一繞組的第二端，該第二與第四電晶體的第一端分別電連接到該第一與第三電晶體的第二端，該第二與第四電晶體的控制端分別電連接到該第二與第一變壓器的第二繞組的第二端，該第二與第四電晶體的第二端適用於電連接到一第二電源，該等電容單元在該第一與第三電晶體的第一端間或第二端間串聯。

本發明之功效即在利用該等變壓器及該第二與第四電晶體，可以降低該振盪器起始振盪所需之轉導值，而降低該振盪器的功率損耗。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參閱圖2，本發明振盪器之較佳實施例包含一第一變壓器21、一第二變壓器22、一第一電晶體M₁ 、一第二電晶體M₂ 、一第三電晶體M₃ 、一第四電晶體M₄ 、兩電容單元23、一第一電容24及一第二電容25。

該第一變壓器21包括一第一繞組211與一第二繞組212，且每一繞組211、212包括一第一端及一第二端，且該第一與第二繞組211、212的第二端具有相同的電壓極性。

該第二變壓器22包括一第一繞組221與一第二繞組222，且每一繞組221、222包括一第一端及一第二端，且該第一與第二繞組221、222的第二端具有相同的電壓極性。

每一電晶體M₁ ~M₄ 具有一第一端、一第二端及一控制端。在本實施例中，該等電晶體M₁ ~M₄ 是N型金屬氧化物半導體(N-type metal-oxide-semiconductor,NMOS)場效電晶體，且第一端是汲極，第二端是源極，控制端是閘極。

該第一變壓器21與第二變壓器22的第一繞組211、221的第一端適用於電連接到一第一電源26，且該第一電源26所提供的電壓為V_DD ，該第一變壓器21與第二變壓器22的第二繞組212、222的第一端適用於接收一偏壓V _bias 。該第一與第三電晶體M₁ 、M₃ 的第一端分別電連接到該第一與第二變壓器21、22的第一繞組211、221的第二端，該第一與第三電晶體M₁ 、M₃ 的控制端適用於電連接到該第一電源26，該第二與第四電晶體M₂ 、M₄ 的第一端分別電連接到該第一與第三電晶體M₁ 、M₃ 的第二端，該第二與第四電晶體M₂ 、M₄ 的控制端分別電連接到該第二與第一變壓器22、21的第二繞組222、212的第二端，該第二與第四電晶體M₂ 、M₄ 的第二端適用於電連接到一第二電源27，且該第二電源27所提供的電壓為V_GND ，小於該第一電源26所提供的電壓V_DD 。該第一電容24電連接在該第一電晶體M₁ 的第一端與第二端間，該第二電容25電連接在該第三電晶體M₃ 的第一端與第二端間。該等電容單元23在該第一與第三電晶體M₁ 、M₃ 的第二端間串聯。該等電容單元23間的一共同接點NA適用於接收一控制電壓V _ctrl ，每一電容單元23的電容值受該控制電壓V _ctrl 影響。

在操作時，該第一及第三電晶體M₁ 、M₃ 的第一端的電壓V _o ⁺ 、V _o ^- 分別透過該第一及第二變壓器21、22的該等第一繞組211、221耦合至該等第二繞組212、222，再分別到達該第四及第二電晶體M₄ 、M₂ 的控制端，該第四及第二電晶體M₄ 、M₂ 再分別將該等控制端的電壓V _o ⁺ 、V _o ^- 轉換成該第四及第二電晶體M₄ 、M₂ 的該等第一端的一第一電流i _d1 及一第二電流i _d2 。該第一及第二電流i _d1 、i _d2 分別流經該第三及該第一電晶體M₃ 、M₁ 的該等第二端，接著分別流經該第三及該第一電晶體M₃ 、M₁ 的該等第一端，並分別經由該第二及第一變壓器22、21的該等第一繞組221、211轉換成電壓以分別增強該第三及該第一電晶體M₃ 、M₁ 的第一端的電壓V _o ^- 、V _o ⁺ ，達到振盪器正回授以增強信號的目的。

參閱圖2與圖3，圖3是圖2振盪器的小訊號等效半電路模型，且由於該振盪器的電路結構具有對稱性，所以僅需以一個半電路模型作為說明。

該第一繞組221的自感值是以L₁ 來表示，電阻性損耗是以電阻值R₁ 來表示，該第二繞組222的自感值是以L₂ 來表示，電阻性損耗是以電阻值R₂ 來表示，該等電晶體M₁ 、M₂ 的轉導值分別為g_m1 及g_m2 ，利用小訊號分析可以得到第一電晶體M₁ 的第一端的電壓V _o ⁺ 對第一電晶體M₁ 的第二端的電壓V _i 的轉移函數如方程式(1-4)及方程式(1-5)所示，當電路迴路增益V _o ⁺ /V _i 為一時，即滿足振盪條件，且此時振盪頻率f ₀ 可以表示成方程式(1-6)所示，所以改變該電容單元23的電容值即可控制該振盪器的振盪頻率f ₀ ，且該振盪器要達到起始振盪該第一電晶體M₁ 的轉導值g _m1 為方程式(1-7)所示，其中，需滿足振盪器起始振盪時所需的該第一電晶體M₁ 的轉導值g _m1 可藉由該第二電晶體M₂ 的轉導值g _m2 而降低，且由於轉導值g _m1 和功率消耗成正相關，所以降低該轉導值g _m1 就等同於降低該振盪器的功率消耗。

其中，C₂₃ 是該相對應電容單元23的電容值，C₂₄ 是該第一電容24的電容值。

參閱圖2與圖4，在本實施例中，該等電容單元23可以是採用習知的操作在反轉區之變容器，因此，每一電容單元23包括一第五電晶體M₅ ，該第五電晶體M₅ 具有電連接到該等電容單元23間之該共同接點NA的一第一端與一第二端、一電連接到該相對應第一電晶體M₁ 或第三電晶體M₃ 之第二端的控制端，及一適用於電連接到該第二電源27的本體端。雖然操作在反轉區之變容器可以增加電容值的可調範圍，但卻具有較差的電容品質因素。

參閱圖2與圖5，在本實施例中，該等電容單元23也可以是採用本申請案的發明人所提出的變容器，因此，每一電容單元23除了包括前述的該第五電晶體M₅ 之外，還包括一具備高品質因素的金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容51，該等電容單元23的金屬-絕緣體-金屬電容51在該二個第五電晶體M₅ 的控制端間串聯，且如圖6所示，圖5的電容單元23相較於圖4的電容單元23的電容品質因素可藉由該MIM電容51而提升。

參閱表1及表2，是本實施例振盪器採用圖5的電容單元23以台積電0.18-μm Mixed Signal RF CMOS製程技術製造，再藉由實際量測所得到的驗證值。當該第一電源26的電壓V_DD 為1.35 V時，本實施例振盪器的功率損耗只需3.3 mW，明顯小於參考文獻1~6(均為0.18-μm CMOS製程)的功率消耗。此外，本實施例振盪器的相位雜訊也與該等參考文獻中具有最佳之相位雜訊的參考文獻2近似，並優於其他五個參考文獻。

參閱圖7，值得注意的是，該等電容單元23也可以在該第一電晶體M₁ 的第一端及該第三電晶體M₃ 的第一端間串聯。

參閱圖8，值得注意的是，該第一電源26所提供的電壓也可以為V_GND ，該第二電源27所提供的電壓也可以為V_DD ，且該電壓V_GND 小於該電壓V_DD ，該第一至第四電晶體M₁ ~M₄ 是P型金屬氧化物半導體(P-type metal-oxide-semiconductor,NMOS)場效電晶體。

綜上所述，本實施例振盪器利用該等變壓器21、22及該第二與第四電晶體M₂ 、M₄ ，可以經由該第二及第四電晶體M₂ 、M₄ 的轉導值g_m2 、g_m4 降低該振盪器起振時所需的該第一及第三電晶體M₁ 、M₃ 的轉導值g_m1 、g_m3 ，使該振盪器具有低的功率消耗、小的晶片面積，並藉由高品質因素的電容單元23降低相位雜訊，使該振盪器達到優異的效能指數(Figure-of-Merit，FOM)，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

參考文獻：

1. D. Ozis,N. Neihart,and D. Allstot,“Differential VCO and passive frequency doubler in 0.18-u m CMOS for 24 GHz applications,”inIEEE RFIC Symp .,pp. 36-39,2006.

2. H. H. Hsieh and L. H. Lu,“A low-phase-noise K-band CMOS VCO,”IEEE Microw. and Wireless Compon. Lett .,vol. 16,no. 10,pp. 552-554,Oct. 2006.

3. C. C. Li,T. P. Wang,C. C. Kuo,M. C. Chuang,and H. Wang,“A 21-GHz complementary transformer-coupled CMOS VCO”,IEEE Microw. and Wireless Compon. Lett., vol. 16,pp.278-280,April 2008.

4. Y. H. Chen,H. H. Hsieh,and L. H. Lu,“A 24-GHz receiver frontend with an LO Signal Generator in 0.18-um CMOS,”IEEE Trans. Microw. Theory Tech .,vol. 56,no. 5,pp. 1043-1051,May 2008.

5. J. Yang,C. Y. Kim,D. W. Kim,and S. Hong,“Design of a 24-GHz CMOS VCO with an asymmetric-width transformer,”IEEE Trans. Circuit and Systems Part-II Express Briefs ,vol. 57,no. 3,pp. 173-177,March 2010.

6. S. L. Liu,K. H. Chen,T. Chang,and A. Chin,“A low-power K-band CMOS VCO with four-coil transformer feedback,”IEEE Microw. and Wireless Compon. Lett., vol. 20,pp.459-461,Aug. 2010.

1．．．考畢茲振盪器

11．．．電感

12．．．第一電容

13．．．第二電容

14．．．電流源

15．．．電阻

16．．．第一電源

17．．．第二電源

Q₁ ．．．電晶體

M₁ ．．．第一電晶體

M₂ ．．．第二電晶體

M₃ ．．．第三電晶體

M₄ ．．．第四電晶體

21．．．第一變壓器

211．．．第一繞組

212．．．第二繞組

22．．．第二變壓器

221．．．第一繞組

222．．．第二繞組

23．．．電容單元

24．．．第一電容

25．．．第二電容

26．．．第一電源

27．．．第二電源

M₅ ．．．第五電晶體

51．．．金屬-絕緣體-金屬電容

NA．．．共同接點

V_DD ．．．電壓

V_GND ．．．電壓

V_ctrl ．．．控制電壓

V_bias ．．．偏壓

圖1是一種習知的考畢茲振盪器的電路圖；

圖2是本發明振盪器的一較佳實施例的電路圖，說明第一至第四電晶體是N型電晶體，兩電容單元在該第一電晶體的第二端及該第三電晶體的第二端間串聯；

圖3是該較佳實施例的小訊號等效半電路模型；

圖4是該等電容單元的一種實施態樣的電路圖；

圖5是該等電容單元的另一種實施態樣的電路圖；

圖6是圖4的電容單元與圖5的電容單元的電容品質因素的比較圖；

圖7是該較佳實施例的一種變形的電路圖，說明該等電容單元在該第一電晶體的第一端及該第三電晶體的第一端間串聯；及

圖8是該較佳實施例的另一種變形的電路圖，說明第一至第四電晶體是P型電晶體。

M₁ ．．．第一電晶體

M₂ ．．．第二電晶體

M₃ ．．．第三電晶體

M₄ ．．．第四電晶體

21．．．第一變壓器

211．．．第一繞組

212．．．第二繞組

22．．．第二變壓器

221．．．第一繞組

222．．．第二繞組

23．．．電容單元

24．．．第一電容

25．．．第二電容

26．．．第一電源

27．．．第二電源

NA．．．共同接點

V_DD ．．．電壓

V_GND ．．．電壓

V_ctrl ．．．控制電壓

V_bias ．．．偏壓

Claims (6)

1. 一種振盪器，包含：一第一變壓器與一第二變壓器，每一變壓器包括一第一繞組與一第二繞組，每一繞組包括一第一端及一第二端，每一變壓器的第一與第二繞組的第二端具有相同的電壓極性；一第一電晶體、一第二電晶體、一第三電晶體與一第四電晶體，每一電晶體具有一第一端、一第二端及一控制端；兩電容單元；一第一電容，電連接在該第一電晶體的第一端與第二端間；及一第二電容，電連接在該第三電晶體的第一端與第二端間；其中，該第一與第二變壓器的第一繞組的第一端適用於電連接到一第一電源，該第一與第三電晶體的第一端分別電連接到該第一與第二變壓器的第一繞組的第二端，該第二與第四電晶體的第一端分別電連接到該第一與第三電晶體的第二端，該第二與第四電晶體的控制端分別電連接到該第二與第一變壓器的第二繞組的第二端，該第二與第四電晶體的第二端適用於電連接到一第二電源，該等電容單元在該第一與第三電晶體的第一端間或第二端間串聯。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之振盪器，其中，該第一 電源所提供的電壓大於該第二電源所提供的電壓，該第一至第四電晶體是N型電晶體。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之振盪器，其中，該等電容單元在該第一與第三電晶體的第二端間串聯。
4. 依據申請專利範圍第1項所述之振盪器，其中，該等電容單元間的一共同接點適用於接收一控制電壓，每一電容單元的電容值受該控制電壓影響。
5. 依據申請專利範圍第4項所述之振盪器，其中，每一電容單元包括一第五電晶體，該第五電晶體具有電連接到該第一與第二電容單元間之該共同接點的一第一端與一第二端、一電連接到該相對應電晶體之第二端的控制端，及一適用於電連接到該第二電源的本體端。
6. 依據申請專利範圍第5項所述之振盪器，其中，每一電容單元更包括一金屬-絕緣體-金屬電容，該等電容單元的金屬-絕緣體-金屬電容在該二個第五電晶體的控制端間串聯。