TWI446721B - 振盪訊號產生裝置與振盪訊號產生裝置之控制訊號產生電路 - Google Patents

Description

振盪訊號產生裝置與振盪訊號產生裝置之控制訊號產生電路

本發明係關於一振盪訊號產生裝置之一控制訊號產生電路，尤指可將接收一電源電壓與一接地電壓之間的任一電壓準位的控制訊號產生電路。

隨著半導體製程的演進，當一積體電路的面積越來越小時，該積體電路的可使用電壓範圍也會越來越小。換句話說，用來控制該積體電路的控制電壓範圍會隨著半導體製程的演進而變小。以一壓控振盪器為例，當該壓控振盪器的控制電壓範圍變小時，該壓控振盪器的一壓控振盪器增益(Kvco)就必須變大才能使得該壓控振盪器振盪出一預定的頻率範圍。如此一來，該壓控振盪器就會變得非常敏感而產生不必要的抖動訊號(Jitter)。因此，當該壓控振盪器應用在一鎖相迴路(Phase-locked Loop,PLL)時，該鎖相迴路所使用的一迴路濾波器(Loop Filter)就必須能夠將該抖動訊號濾掉。換句話說，該迴路濾波器所使用的電容必須夠大才能夠將該抖動訊號濾掉。然而，這樣做時卻又會增加該鎖相迴路的製作成本。因此，要如何在一先進半導體製程中提高一壓控振盪器所能接受的控制電壓範圍，以降低該壓控振盪器的製作成本已成為熟悉此領域的技術者所亟需解決的問題。

因此，本發明之一目的在於提供一可將接收一電源電壓與一接地電壓之間的任一電壓準位的控制訊號產生電路。

依據本發明之一第一實施例，其係提供一種振盪訊號產生裝置。該種振盪訊號產生裝置包含有一振盪電路以及一控制訊號產生電路。該振盪電路係用來依據一電流控制訊號來產生一振盪訊號。該控制訊號產生電路耦接於該振盪電路。該控制訊號產生電路接收一第一參考電壓與一第二參考電壓並操作於該第一參考電壓與該第二參考電壓之間。該控制訊號產生電路用來依據一電壓輸入訊號來產生該電流控制訊號，其中該控制訊號產生電路可於該電壓輸入訊號之一電壓準位介於該第一參考電壓與該第二參考電壓之間時均可依據該電壓輸入訊號來單調地產生該電流控制訊號。

依據本發明之一第二實施例，其係提供一種控制訊號產生電路。該控制訊號產生電路包含有一第一轉導電路、一電流調整電路、一第二轉導電路以及一電流鏡。該第一轉導電路接收一第一參考電壓與一第二參考電壓並操作於該第一參考電壓與該第二參考電壓之間，用來依據一電壓輸入訊號來產生一第一電流訊號。該電流調整電路耦接於該第一轉導電路，用來依據一參考電流與該第一電流訊號來產生一第二電流訊號。該第二轉導電路接收該第一參考電壓與該第二參考電壓並操作於該第一參考電壓與該第二參考電壓之間，用來依據該電壓輸入訊號來產生一第三電流訊號。該電流鏡耦接於 該電流調整電路與該第二轉導電路，用來依據該第二電流訊號與該第三電流訊號中至少其一來產生一電流訊號。

在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的「包含」係為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。此外，「耦接」一詞在此係包含任何直接及間接的電氣連接手段，因此，若文中描述一第一裝置耦接於一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電氣連接於該第二裝置，或者透過其他裝置或連接手段間接地電氣連接至該第二裝置。

請參考第1圖。第1圖所示係依據本發明一種振盪訊號產生裝置100之一實施例示意圖。振盪訊號產生裝置100包含有一振盪電路102以及一控制訊號產生電路104。振盪電路102係一3級環形振盪器，其係用來依據一電流控制訊號Sc1-Sc3來產生一振盪訊號Sosc。振盪電路102包含有三個延遲單元(亦即反相器)1022、1024、1026，其中延遲單元1022、1024、1026的操作電流會分別由電流控制訊號Sc1-Sc3所控制，如第1圖所示。請注意到，第1圖所示之振盪電路102、電流控制訊號之數目僅為一實施例並非本發明之限 制，其餘受電流控制之振盪電路亦可與控制訊號產生電路104互相搭配而達類似之功效，亦即，亦為本發明之範疇。控制訊號產生電路104係耦接於振盪電路102，控制訊號產生電路104會接收一第一參考電壓Vdd與一第二參考電壓Vgnd並操作於第一參考電壓Vdd與第二參考電壓Vgnd之間，控制訊號產生電路104係用來依據一電壓輸入訊號Sin來產生電流控制訊號Sc1-Sc3。此外，控制訊號產生電路104可於電壓輸入訊號Sin之一電壓準位介於第一參考電壓Vdd與第二參考電壓Vgnd之間時均可依據該電壓輸入訊號來單調地(Monotonically)產生該電流控制訊號。請注意，在此較佳實施例中，第一參考電壓Vdd為一電源電壓，而第二參考電壓Vgnd為一接地電壓。

為了使得控制訊號產生電路104可於電壓輸入訊號Sin之電壓準位介於第一參考電壓Vdd與第二參考電壓Vgnd之間時均可依據該電壓輸入訊號來單調地產生該電流控制訊號，控制訊號產生電路104會至少包含有一P型場效電晶體以及一N型場效電晶體；當電壓輸入訊號Sin之電壓準位超過一第一電壓準位時，該N型場效電晶體會將電壓輸入訊號Sin轉換為一第一電流訊號；當電壓輸入訊號Sin之電壓準位低於一第二電壓準位時，該P型場效電晶體會將電壓輸入訊號Sin轉換為一第二電流訊號；而電流控制訊號Sc1-Sc3包含有該第一電流訊號與該第二電流訊號中至少其一。

進一步來說，控制訊號產生電路104包含有一第一轉導電路 1042、一電流調整電路1044、一第二轉導電路1046以及一電流鏡1048。第一轉導電路1042係操作於第一參考電壓Vdd與第二參考電壓Vgnd之間，用來依據電壓輸入訊號Sin來產生一第一電流訊號Ic1。電流調整電路1044係耦接於第一轉導電路1042，用來依據一參考電流Ir與第一電流訊號Ic1來產生一第二電流訊號Ic2。第二轉導電路1046係操作於第一參考電壓Vdd與第二參考電壓Vgnd之間，用來依據電壓輸入訊號Sin來產生一第三電流訊號Ic3。電流鏡1048係耦接於電流調整電路1044與第二轉導電路1046，用來依據第二電流訊號Ic2與第三電流訊號Ic3中至少其一來產生電流控制訊號Sc1-Sc3。

如第1圖所示，此較佳實施例的第一轉導電路1042包含有一P型場效電晶體M1、一第一N型場效電晶體M2以及一第二N型場效電晶體M3。P型場效電晶體M1具有一控制端點耦接於電壓輸入訊號Sin，以及一第一連接端點耦接於第一參考電壓Vdd。第一N型場效電晶體M2具有一控制端點N1與一第一連接端點耦接於P型場效電晶體M1之一第二連接端點，第一N型場效電晶體M2之一第二連接端點耦接於第二參考電壓Vgnd。第二N型場效電晶體M3具有一控制端點耦接於第一N型場效電晶體M2之控制端點N1，一第一連接端點用來輸出第一電流訊號Ic1，以及一第二連接端點耦接於第二參考電壓Vgnd。

電流調整電路1044包含有一電流源1045、一第一N型場效電 晶體M4以及一第二N型場效電晶體M5。電流源1045係用來產生參考電流Ir。第一N型場效電晶體M4具有一控制端點N2與一第一連接端點耦接於電流源1045(用以傳遞至少一部分之參考電流Ir)，第一N型場效電晶體M4之一第二連接端點耦接於第二參考電壓Vgnd。第二N型場效電晶體M5具有一控制端點耦接於第一N型場效電晶體M4之控制端點N2，一第一連接端點用來輸出第二電流訊號Ic2，以及一第二連接端點耦接於第二參考電壓Vgnd。

第二轉導電路1046包含有一N型場效電晶體M6，其具有一控制端點N3耦接於電壓輸入訊號Sin，一第一連接端點N4用來輸出第三電流訊號Ic3，以及一第二連接端點耦接於第二參考電壓Vgnd。

電流鏡1048包含有一第一P型場效電晶體M7、一第二P型場效電晶體M8、一N型場效電晶體M9以及複數個N型場效電晶體M10-M12。第一P型場效電晶體M7具有一第一連接端點耦接於第一參考電壓Vdd，以及一控制端點N5與一第二連接端點耦接於電晶體之第一連接端點N4(用以傳遞至少一部分之第二電流訊號Ic2與該第三電流訊號Ic3)。第二P型場效電晶體M8具有一控制端點耦接於第一P型場效電晶體M7之控制端點N5，一第一連接端點耦接於第一參考電壓Vdd。N型場效電晶體M9具有一控制端點N6與一第一連接端點耦接於第二P型場效電晶體M8之一第二連接端點，N型場效電晶體M9之一第二連接端點耦接於第二參考電壓 Vgnd。複數個N型場效電晶體M10-M12中的每一個N型場效電晶體都具有一控制端點耦接於N型場效電晶體M9之控制端點N6，一第一連接端點用來輸出電流控制訊號Sc1-Sc3，以及一第二連接端點耦接於第二參考電壓Vgnd。

從第1圖可以得知，當振盪訊號產生裝置100處於正操作狀態時，電壓輸入訊號Sin會同時輸入控制訊號產生電路104的P型場效電晶體M1以及N型場效電晶體M6，因此當電壓輸入訊號Sin之電壓準位與第二參考電壓Vgnd之間的電壓差小於N型場效電晶體M6的臨界電壓(Threshold Voltage)Vthn時，N型場效電晶體M6就不會將電壓輸入訊號Sin轉換為一電流訊號，而是由P型場效電晶體M1來將電壓輸入訊號Sin轉換為一電流訊號。反之，當電壓輸入訊號Sin之電壓準位提高到使得P型場效電晶體M1的閘極端與第一參考電壓Vdd之間的電壓差小於P型場效電晶體M1的臨界電壓(Threshold Voltage)的絕對值|Vthp|時，P型場效電晶體M1就不會將電壓輸入訊號Sin轉換為電流訊號，而是由N型場效電晶體M6來將電壓輸入訊號Sin轉換為一電流訊號。

請參考第2圖。第2圖所示係依據本發明振盪訊號產生裝置100的控制電壓準位V與輸出振盪頻率F之間的特徵曲線圖，其中控制電壓準位V係電壓輸入訊號Sin之電壓準位，而輸出振盪頻率F係振盪訊號Sosc的振盪頻率。可以得出，當電壓輸入訊號Sin的電壓準位從零電壓(亦即Vgnd)開始一直往電源電壓(亦即Vdd)增加時， 振盪訊號Sosc的振盪頻率也是會一致的改變，例如從一低振盪頻率往一高振盪頻率增加。進一步來說，在第二時段T2內，當電壓輸入訊號Sin的電壓準位從第二參考電壓Vgnd開始增加時，P型場效電晶體M1所產生的一電流Im1就會開始減少。由於第一N型場效電晶體M2與第二N型場效電晶體M3係構成一電流鏡，因此當電壓輸入訊號Sin的電壓準位從第二參考電壓Vgnd開始增加時，第二N型場效電晶體M3所輸出的第一電流訊號Ic1也會開始減少。接著，在電流調整電路1044中，由於電流源1045所產生的參考電流Ir為一定電流，因此當第一電流訊號Ic1減少時，流過第一N型場效電晶體M4的一電流Im4則會增加，亦即Im4=Ir-Ic1。再者，由於第一N型場效電晶體M4與第二N型場效電晶體M5係構成一電流鏡，因此第二電流訊號Ic2會隨著電壓輸入訊號Sin的電壓準位的提高而增加。

與此同時，當電壓輸入訊號Sin的電壓準位逐漸增加時，N型場效電晶體M6所產生的第三電流訊號Ic3也會逐漸增加。最後，電流鏡1048就會將第二電流訊號Ic2與第三電流訊號Ic3的一加總電流Im7(Im7=Ic2+Ic3)映射為電流控制訊號Sc1-Sc3，以分別提供給振盪電路102的三個延遲單元1022、1024、1026。請注意，在第二時段T2內，P型場效電晶體M1與N型場效電晶體M6都是處於開啟的狀態，且當電壓輸入訊號Sin的電壓準位逐漸提高時，電流控制訊號Sc1-Sc3也會一致的逐漸增加，進而使得振盪訊號Sosc的振盪頻率也會一致的增加，如第2圖所示。

然而，需注意的是，在第一時段T1內，亦即電壓輸入訊號Sin的電壓準位在第二參考電壓Vgnd與電壓Vthn之間，由於此時N型場效電晶體M6係處於關閉的狀態，因此當電壓輸入訊號Sin的電壓準位從第二參考電壓Vgnd開始增加時，N型場效電晶體M6不會將電壓輸入訊號Sin轉換為第三電流訊號Ic3，只剩下P型場效電晶體M1會將電壓輸入訊號Sin轉換為電流Im1。換句話說，在第一時段T1內，當電壓輸入訊號Sin的電壓準位從第二參考電壓Vgnd逐漸提高時，第二電流訊號Ic2也會逐漸增加，進而造成電流控制訊號Sc1-Sc3也一致的逐漸增加。

另一方面，在第三時段T3內，亦即電壓輸入訊號Sin的電壓準位在第一參考電壓Vdd與Vdd-|Vthp|之間，由於此時P型場效電晶體M1係處於關閉的狀態，因此當電壓輸入訊號Sin的電壓準位從電壓Vdd-|Vthp|往第一參考電壓Vdd增加時，P型場效電晶體M1不會將電壓輸入訊號Sin轉換為電流Im1，只剩下N型場效電晶體M6會將電壓輸入訊號Sin轉換為第三電流訊號Ic3。換句話說，在第三時段T3內，當電壓輸入訊號Sin的電壓準位從電壓Vdd-|Vthp|逐漸提高時，第二電流訊號Ic2會係一最大固定電流，而第三電流訊號Ic3會逐漸增加，進而造成電流控制訊號Sc1-Sc3也一致的逐漸增加。

因此，從上述關於控制訊號產生電路104的操作可以得知，當 電壓輸入訊號Sin的電壓準位從第二參考電壓Vgnd開始提升，一直到第一參考電壓Vdd時，電流控制訊號Sc1-Sc3都會一致的逐漸增加。換句話說，本發明的控制訊號產生電路104在電壓輸入訊號Sin之電壓準位介於電源電壓(亦即Vdd)與接地電壓(亦即Vgnd)之間時均可依據電壓輸入訊號Sin來一致性地產生電流控制訊號Sc1-Sc3，亦即，本發明控制訊號產生電路104的可接受電壓輸入訊號Sin之電壓準位就可以是電源電壓與接地電壓之間的任一電壓。因此，當振盪訊號產生裝置100的可控制電壓範圍變大時，振盪電路102的一壓控振盪器增益(Kvco)就可以在比傳統的增益來得小的條件下振盪同樣寬的頻率範圍。如此一來，振盪電路102就不會產生不必要的抖動訊號(Jitter)。因此，當振盪訊號產生裝置100應用在一鎖相迴路(Phase-locked Loop,PLL)時，該鎖相迴路所使用的一迴路濾波器(Loop Filter)使用的電容可以比傳統的濾波電容來得小，進而節省了該鎖相迴路的製作成本。

請注意，本發明控制訊號產生電路104並不受限於用來控制振盪電路102，經由適當地修正，控制訊號產生電路104亦可用來依據電壓輸入訊號Sin來提供一控制訊號至任何操作電路，其亦為本發明之範疇所在。

綜上所述，本發明的振盪訊號產生裝置100同時利用一P型場效電晶體以及一N型場效電晶體來接收其電壓輸入訊號Sin，以使得當電壓輸入訊號Sin之電壓準位超過一第一電壓準位時，該N型 場效電晶體可將電壓輸入訊號Sin轉換為振盪電路102的電流控制訊號；以及當電壓輸入訊號Sin之電壓準位低於一第二電壓準位時，該P型場效電晶體可將電壓輸入訊號Sin轉換振盪電路102的電流控制訊號。如此一來，振盪訊號產生裝置100的可接受電壓輸入訊號Sin之電壓準位就可以是電源電壓與接地電壓之間的任一電壓。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100‧‧‧振盪訊號產生裝置

102‧‧‧振盪電路

104‧‧‧控制訊號產生電路

1022、1024、1026‧‧‧延遲單元

1042‧‧‧第一轉導電路

1044‧‧‧電流調整電路

1045‧‧‧電流源

1046‧‧‧第二轉導電路

1048‧‧‧電流鏡

第1圖係本發明一種振盪訊號產生裝置之一實施例示意圖。

第2圖係本發明第1圖之振盪訊號產生裝置的一控制電壓準位與一輸出振盪頻率之間的特徵曲線圖。

100‧‧‧振盪訊號產生裝置

102‧‧‧振盪電路

104‧‧‧控制訊號產生電路

1022、1024、1026‧‧‧延遲單元

1042‧‧‧第一轉導電路

1044‧‧‧電流調整電路

1045‧‧‧電流源

1046‧‧‧第二轉導電路

1048‧‧‧電流鏡

Claims (12)

1. 一種振盪訊號產生裝置，包含有：一振盪電路，用來依據一電流控制訊號來產生一振盪訊號；以及一控制訊號產生電路，耦接於該振盪電路，該控制訊號產生電路接收一第一參考電壓與一第二參考電壓並操作於該第一參考電壓與該第二參考電壓之間，該控制訊號產生電路用來依據一電壓輸入訊號來產生該電流控制訊號；其中該控制訊號產生電路可於該電壓輸入訊號之一電壓準位介於該第一參考電壓與該第二參考電壓之間時均可依據該電壓輸入訊號來單調地(Monotonically)產生該電流控制訊號，其中該控制訊號產生電路包含有：一第一轉導電路，操作於該第一參考電壓與該第二參考電壓之間，用來依據該電壓輸入訊號來產生一第一電流訊號，該第一轉導電路包含有：一第一場效電晶體，具有一控制端點耦接於該電壓輸入訊號，以及一第一連接端點耦接於該第一參考電壓；一第二場效電晶體，具有一控制端點與一第一連接端點耦接於該第一場效電晶體之一第二連接端點，該第二場效電晶體之一第二連接端點耦接於該第 二參考電壓；以及一第三場效電晶體，具有一控制端點耦接於該第二場效電晶體之該控制端點，一第一連接端點用來輸出該第一電流訊號，以及一第二連接端點耦接於該第二參考電壓。
2. 如申請專利範圍第1項所述的振盪訊號產生裝置，其中該第一參考電壓為一電源電壓，以及該第二參考電壓為一接地電壓。
3. 如申請專利範圍第1項所述的振盪訊號產生裝置，其中該控制訊號產生電路包含有一P型場效電晶體以及一N型場效電晶體；當該電壓輸入訊號之該電壓準位超過一第一電壓準位時，該N型場效電晶體會將該電壓輸入訊號轉換為一第一電流訊號；當該電壓輸入訊號之該電壓準位低於一第二電壓準位時，該P型場效電晶體會將該電壓輸入訊號轉換為一第二電流訊號；以及該電流控制訊號包含有該第一電流訊號與該第二電流訊號中至少其一。
4. 如申請專利範圍第1項所述的振盪訊號產生裝置，其中該控制訊號產生電路包含有：一電流調整電路，耦接於該第一轉導電路，用來依據一參考電流與該第一電流訊號來產生一第二電流訊號；一第二轉導電路，操作於該第一參考電壓與該第二參考電壓 之間，用來依據該電壓輸入訊號來產生一第三電流訊號；以及一電流鏡，耦接於該電流調整電路與該第二轉導電路，用來依據該第二電流訊號與該第三電流訊號中至少其一來產生該電流控制訊號。
5. 如申請專利範圍第4項所述的振盪訊號產生裝置，其中該第一場效電晶體為一P型場效電晶體，以及該第二、第三場效電晶體均為N型場效電晶體。
6. 如申請專利範圍第4項所述的振盪訊號產生裝置，其中該電流調整電路包含有：一電流源，用來產生該參考電流；一第一場效電晶體，具有一控制端點與一第一連接端點耦接於該參考電流，該第一場效電晶體之一第二連接端點耦接於該第二參考電壓；以及一第二場效電晶體，具有一控制端點耦接於該第一場效電晶體之該控制端點，一第二連接端點用來輸出該第二電流訊號，以及一第二連接端點耦接於該第二參考電壓。
7. 如申請專利範圍第6項所述的振盪訊號產生裝置，其中該第二、第三場效電晶體均為N型場效電晶體。
8. 如申請專利範圍第4項所述的振盪訊號產生裝置，其中該第二轉導電路包含有：一場效電晶體，具有一控制端點耦接於該電壓輸入訊號，一第二連接端點用來輸出該第三電流訊號，以及一第二連接端點耦接於該第二參考電壓。
9. 如申請專利範圍第8項所述的振盪訊號產生裝置，其中該場效電晶體為一N型場效電晶體。
10. 如申請專利範圍第4項所述的振盪訊號產生裝置，其中該電流鏡包含有：一第一場效電晶體，具有一第一連接端點耦接於該第一參考電壓，以及一控制端點與一第二連接端點耦接於該第二電流訊號與該第三電流訊號；一第二場效電晶體，具有一控制端點耦接於該第一場效電晶體之該控制端點，一第一連接端點耦接於該第一參考電壓；一第三場效電晶體，具有一控制端點與一第一連接端點耦接於該第二場效電晶體之一第二連接端點，該第三場效電晶體之一第二連接端點耦接於該第二參考電壓；以及至少一第四場效電晶體，具有一控制端點耦接於該第三場效電晶體之該控制端點，一第一連接端點用來輸出該電流控制訊號，以及一第二連接端點耦接於該第二參考電 壓。
11. 如申請專利範圍第10項所述的振盪訊號產生裝置，其中該第一、二場效電晶體均為N型場效電晶體，以及該第三、第四場效電晶體均為P型場效電晶體。
12. 一種振盪訊號產生裝置，包含有：一振盪電路，用來依據一電流控制訊號來產生一振盪訊號；以及一控制訊號產生電路，耦接於該振盪電路，該控制訊號產生電路接收一第一參考電壓與一第二參考電壓並操作於該第一參考電壓與該第二參考電壓之間，該控制訊號產生電路用來依據一電壓輸入訊號來產生該電流控制訊號；其中該控制訊號產生電路可於該電壓輸入訊號之一電壓準位介於該第一參考電壓與該第二參考電壓之間時均可依據該電壓輸入訊號來單調地(Monotonically)產生該電流控制訊號，以及該控制訊號產生電路包含有一P型場效電晶體以及一N型場效電晶體；當該電壓輸入訊號之該電壓準位超過一第一電壓準位時，該N型場效電晶體會將該電壓輸入訊號轉換為一第一電流訊號；當該電壓輸入訊號之該電壓準位低於一第二電壓準位時，該P型場效電晶體會將該電壓輸入訊號轉換為一第二電流訊號；以及該電流控制訊號包含有該第一電流訊號與該第二電流訊號中至少其 一。