TWI640157B

TWI640157B - Transformer feedback quadrature voltage controlled oscillator

Info

Publication number: TWI640157B
Application number: TW106145785A
Authority: TW
Inventors: 陳筱青; 江衍霆; 余建德
Original assignee: 國家中山科學研究院
Priority date: 2017-12-26
Filing date: 2017-12-26
Publication date: 2018-11-01
Also published as: TW201929414A

Abstract

本發明係提供一種變壓器反饋正交壓控振盪器，係包括：一第一半電路；以及一第二半電路，係電性連接該第一半電路；其中該第一半電路和該第二半電路的每一者包括：一第一耦合電容；一第二耦合電容；一感應電感；一NMOS電晶體；一PMOS電晶體；以及一頻率調諧電路，其一第一端連接該感應電感的一第一端、該PMOS電晶體的一汲極和該NMOS電晶體的一閘極，其一第二端連接該感應電感的一第二端、該NMOS電晶體的一汲極和該PMOS電晶體的一閘極。

Description

變壓器反饋正交壓控振盪器

本發明係與電子電路技術有關，特別係指一種用於無線通訊系統電路之變壓器反饋正交壓控振盪器。

隨著無線通訊的技術逐漸成熟，從前的家用通訊設備已經逐漸為行動通訊設備所取代，舉凡手機、平板電腦、家庭式電器等都可以使用無線通訊來進行資料傳輸，讓人們的生活朝著物聯網時代邁進。無線通訊經常使用收發機來完成訊號的接收與發射，收發機中常使用頻率合成器來完成載波頻率的切換。面對高品質的通訊訴求，一個穩定且精確的本地振盪源訊號是迫切須要的，因為這能使訊號精準地傳遞至無線接收端。低相位雜訊(phase noise)的壓控振盪器成了收發機中的重要電路之一。無線通信由收發器實現，以在空中發送和接收無線信號。收發器通常具有用於切換載波頻率的頻率合成器。對於高通信質量的要求，迫切需要穩定準確的本地振盪(LO)信號，因為這可以使得無線信號被準確地傳送到無線接收器。因此，低相位雜訊壓控振盪器(VCO)是收發器中重要的電子元件。

行動通訊的演進在過去的數十年來飛快發展，對於全世界的經濟脈動與溝通方式有著極大的影響力。從第一代的行動通訊(1G)800MHz的頻率與9.6Kbps的資料傳輸率，一直發展到近年來的第五代行動通訊(5G)38GHz的頻率與逾10Gbps的資料傳輸率，已經有極大幅度的增長。高頻資料傳輸意味著我們即將邁入真正的物聯網時代，第五代行動通訊將有更高的網路容量、更高的數據收發速率、更強健的應及通訊能力、更低的無線收發延遲等等。

一般的正交相位壓控振盪器QVCO(Quadrature Voltage-Controlled Qscillator)使用兩組LC-VCO加上耦合網路使得兩者產生之差動訊號彼此之間的相位為正交關係，QVCO耦合網路會連接在輸出端，這會增加輸出的負載，同時將低QVCO的最高操作頻率；而在現有的被動式耦合網路設計則會因為極寬的操作頻帶而產生不同頻率下的相位誤差。

為解決先前技術之缺點，本發明係提供一種變壓器反饋正交壓控振盪器，可降低在輸出上的負載，同時增加壓控振盪器的最高可操作頻率；亦可以在不同的操作頻率之下擁有極低變異量的相位雜訊。

本發明係為一種變壓器反饋正交壓控振盪器，係包括：一第一半電路；以及一第二半電路，係電性連接該第一半電路；其中該第一半電路和該第二半電路的每一者包括：一第一耦合電容；一第二耦合電容；一感應電感；一NMOS 電晶體；一PMOS電晶體；以及一頻率調諧電路，其一第一端連接該感應電感的一第一端、該PMOS電晶體的一汲極和該NMOS電晶體的一閘極，其一第二端連接該感應電感的一第二端、該NMOS電晶體的一汲極和該PMOS電晶體的一閘極；其中該第一半電路和該第二半電路的該等感應電感形成一變壓器，該第一半電路的該PMOS電晶體的一基極(body)透過該第一半電路的該第一耦合電容連接到該第二半電路的該PMOS電晶體的一源極，該第一半電路的該NMOS電晶體的一基極透過該第一半電路的該第二耦合電容連接到該第二半電路的該NMOS電晶體的一源極，該第二半電路的該PMOS電晶體的一基極透過該第二半電路的該第一耦合電容連接到該第一半電路的該NMOS電晶體的一源極，該第二半電路的該NMOS電晶體的一基極透過該第二半電路的該第二耦合電容連接到該第一半電路的該PMOS電晶體的一源極，該等PMOS電晶體和該等NMOS電晶體的該等汲極用於輸出多個正交相位的多個本地振盪信號，且一本地振盪頻率係基於一頻率-電壓曲線，根據施加到該頻率調諧電路的一頻率調諧電壓而被確定。

本發明之一實施例中，該第一半和第二半電路的該等第一和第二耦合電容係為兩可變耦合電容，並形成一動態相位誤差校正電路，該第一半電路的該NMOS電晶體、該PMOS電晶體與該感應電感形成一第一壓控振盪器，以及該第二半電路的該NMOS電晶體、該PMOS電晶體與該感應電感形成一第二壓控振盪器。

本發明之一實施例中，該第一半電路和該第二半電路的每一者還包括：一開關電容裝置，其一第一端連接該頻率調諧電路的該第一端，其一第二端連接到該頻率調諧電路的該第二端，其中給該開關電容裝置的一代碼被用來改變該頻率-電壓曲線。

本發明之一實施例中，該第一半電路和該第二半電路的每一者還包括：一第一電感，其中該PMOS電晶體的該源極通過該第一電感連接到一系統電壓；以及一第二電感，其中該NMOS電晶體的該源極通過該第二電感連接到一接地電壓。

本發明之一實施例中，該頻率調諧電路包括：一第一可變電容和第二可變電容；一第一電阻和第二電阻；以及一第一電容和第二電容；其中該頻率調諧電壓被施加到該第一可變電容的一第一端和該第二可變電容的一第一端，該第一可變電容的一第二端連接到該第一電阻的一第二端和該第一電容的一第二端，該第二可變電容的一第二端連接到該第二電阻的一第二端和該第二電容的一第二端，一偏置電壓係施加於該第一電阻的該第一端與該第二電阻的該第一端，以及該第一電阻的該第一端與該第二電阻的該第一端分別連接到該PMOS電晶體的該汲極端與該NMOS電晶體的該汲極端。

本發明之一實施例中，當該頻率調諧電壓增加時，該第一可變電容的一電容值增加，且該第二可變電容的一電容值減少。

本發明之一實施例中，該開關電容裝置包括：多個開關和多個電容，其中每個開關連接在該兩電容之間，每一組開關和對應的該等電容並聯連接到另一組開關與對應的該等電容，並且該代碼用於打開或關閉該等開關的至少其中一者。

本發明之一實施例中，該本地振盪頻率為17.2GHz至18.6GHz。

本發明之一實施例中，該相位雜訊在1MHz的頻率偏移處為約-110dBc/Hz。

以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本發明的其他目的及優點，將在後續的說明及圖示中加以闡述。

1‧‧‧變壓器反饋正交壓控振盪器

11‧‧‧第一壓控振盪器

12‧‧‧第二壓控振盪器

13‧‧‧動態相位誤差校正電路

DCTRL‧‧‧數位控制信號

2‧‧‧變壓器反饋正交壓控振盪器

21‧‧‧第一半電路

22‧‧‧第二半電路

C1‧‧‧第一耦合電容、L2與SC

C2‧‧‧第二耦合電容

L_IND‧‧‧感應電感

M1‧‧‧NMOS電晶體

M2‧‧‧PMOS電晶體

FT‧‧‧頻率調諧電路

L1‧‧‧第一電感

L2‧‧‧第二電感

SC‧‧‧開關電容裝置

23‧‧‧散熱鰭片

VDD‧‧‧系統電壓

GND‧‧‧接地電壓

V_tune‧‧‧頻率調諧電壓

C_VAR+‧‧‧第一可變電容

C_VAR-‧‧‧第二可變電容

R1‧‧‧第一電阻

R2‧‧‧第二電阻

C3‧‧‧第一電容

C7‧‧‧第二電容

V_bias‧‧‧偏置電壓

S1-S3‧‧‧開關

C4-C6‧‧‧電容

3‧‧‧通訊裝置

31‧‧‧變壓器反饋正交壓控振盪器

32‧‧‧前端電路

33‧‧‧天線

D_in‧‧‧數據信號

D_out‧‧‧數據信號

圖1係為本發明之變壓器反饋正交壓控振盪器功能方塊示意圖。

圖2係為本發明之變壓器反饋正交壓控振盪器實施例架構圖。

圖3係為本發明提供之通訊裝置之結構示意圖。

以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點與功效。

圖1係為本發明之變壓器反饋正交壓控振盪器功能方塊示意圖，如圖所示，該變壓器反饋正交壓控振盪器1，包括第一壓控振盪器11、第二壓控振盪器12以及動態相位誤差校正電路13。第一壓控振盪器11與第二壓控振盪器72提供兩個不同相位且彼此正交的LO信號。由於製程的誤差，第一壓控振盪器11與第二壓控振盪器12可能有不匹配的現象，導致由第一壓控振盪器11與第二壓控振盪器12提供的兩個LO信號彼此未完全地正交。因此，本發明係透過該動態相位誤差校正電路13的設計來校正上述不平衡的情況。動態相位誤差校正電路13具有連接在第一壓控振盪器11與第二壓控振盪器12之間的多個耦合電容，其中多個耦合電容的多個電容值根據數位控制信號DCTRL而變化，以校正由第一壓控振盪器11與第二壓控振盪器12輸出之多個正交相位的多個本地振盪信號的相位誤差。

圖2係為本發明之變壓器反饋正交壓控振盪器實施例架構圖，如圖所示，變壓器反饋正交壓控振盪器2由第一半電路21和第二半電路22形成，其中第一半電路21和第二半電路22的每一者包括第一耦合電容C1、第二耦合電容C2、感應電感L_IND、NMOS電晶體M2、PMOS電晶體M1、頻率調諧電路FT、第一電感L1、第二電感L2與開關電容裝置SC於第一半電路21與第二半電路22的每一者中，頻率調諧電路FT的第一端連接感應電感L_IND的第一端、PMOS電晶體M1的汲極和NMOS電晶體M2的閘極。頻率調諧電路FT的第二端連接感應電感L_IND的第二端、NMOS電晶體M2的汲極和PMOS電晶體M1的閘極。PMOS電晶體M1的源極通過第一電感L1連接到系統電壓VDD，以及NMOS電晶體M2的源極通過第二電感L2連接到接地電壓GND。另外，第一半電路21和第二半電路22的多個感應電感L_IND形成變壓器，以藉此形成變壓器反饋的架構。

第一半電路21的PMOS電晶體M1的基極(body)透過第一半電路21的第一耦合電容C1連接到第二半電路22的PMOS電晶體M1的源極。第一半電路21的NMOS電晶體M2的基極透過第一半電路21的第二耦合電容C2連接到第二半電路22的NMOS電晶體M1的源極。第二半電路22的PMOS電晶體M1的基極透過第二半電路22的第一耦合電容C1連接到第一半電路21的NMOS電晶體M2的源極。第二半電路22的NMOS電晶M2體的基極透過第二半電路22的第二耦合電容C2連接到第一半電路21的PMOS電晶體M2的源極。透過上述基極-源極電容耦合的方式可以使得多個PMOS電晶體M1和多個NMOS電晶體M2的多個汲極用於輸出多個正交相位的多個本地振盪信號Q+、Q-、I+與I-。

兩個頻率調諧電路FT與兩個開關電容裝置係形成於第一半電路21與第二半電路22之中，而非形成於變壓器反饋正交壓控振盪器2的輸出端上，因此變壓器反饋正交壓控振盪器2可以具有較低的輸出負載與較高的操作頻率。於第一半電路21與第二半電路22之每一者中，開關電容裝置SC的第一端連接頻率調諧電路FT的第一端，開關電容裝置SC的第二端連接到頻率調諧電路FT的第二端，其中給開關電容裝置SC的代碼被用來改變頻率-電壓曲線。本地振盪頻率係基於頻率-電壓曲線，根據施加到頻率調諧電路FT的頻率調諧電壓V_tune而被確定。

第一半和第二半電路21、22的多個第一和第二耦合電容C1、C2係為圖1中的動態相位誤差校正電路13的多個可變耦合電容，並形成動態相位誤差校正電路13。第一半電路21的NMOS電晶體M2、PMOS電晶體M1與感應電感L_IND形成第1圖的第一壓控振盪器11，以及第二半電路22的NMOS電晶體M2、PMOS電晶體M1與感應電感L_IND形成第1圖的第二壓控振盪器12。於第一半電路21與第二半電路22之每一者中，頻率調諧電路FT包括第一和第二可變電容C_VAR+、C_VAR-、第一和第二電阻R1、R2與第一和第二電容C3、C7。頻率調諧電壓V_tune被施加到第一可變電容C_VAR+的第一端和第二可變電容C_VAR-的第一端。第一可變電容C_VAR+的第二端連接到第一電阻R1的第二端和第一電容C3的第二端。第二可變電容C_VAR-的第二端連接到第二電阻R2的第二端和第二電容C7的第二端。偏置電壓V_bias係施加於第一電阻R1的第一端與第二電阻R2的第一端，以及第一電阻R1的第一端與第二電阻R2的第一端分別連接到PMOS電晶體M1的汲極與NMOS電晶體M2的汲極。

第一和第二可變電容C_VAR+、C_VAR-分別為正向與反向可變電容，當頻率調諧電壓V_tune增加時，第一可變電C_VAR+容的電容值增加，且第二可變電容C_VAR-的電容值減少。

於第一半電路21與第二半電路22之每一者中，開關電容裝置SC包括多個開關S1-S3和多個電容C4-C6。每個開關S1-S3連接在兩電容C4-C6之間。每一組開關S1-S3和對應的電容C4-C6並聯連接到另一組開關S1-S3和對應的電容C4-C6，並且代碼用於打開或關閉開關S1-S3的至少其中一者，以改變頻率-電壓曲線，從而增加操作頻寬與減少不同頻率下的偏移。

本發明之一實施例中，上述本地振盪頻率可以為17.2GHz至18.6GHz，以適用於5G行動通訊的頻帶。另外，本案的變壓器反饋正交壓控振盪器2之相位雜訊在1MHz的頻率偏移處為約-110dBc/Hz，其具有良好的效能表現，且適於超寬頻帶的操作。

本發明並進一步提供一種通訊裝置3，該通訊裝置之結構示意圖如圖3所示，其包括變壓器反饋正交壓控振盪器31、前端電路32與天線33，其中前端電路32連接到變壓器反饋正交壓控振盪器31，以及天線33連接到前端電路32。變壓器反饋正交壓控振盪器31為如前面所述之變壓器反饋正交壓控振盪器1或2。前端電路32可以是收發器電路、發射器電路或接收器電路。當前端電路32是收發器電路時，其可用於生成數據信號D_in到空氣的RF信號，與透過天線53從空中接收數據信號D_out的RF信號。

藉此，本發明係提供一種變壓器反饋正交壓控振盪器，可降低在輸出上的負載，同時增加壓控振盪器的最高可操作頻率；亦可以在不同的操作頻率之下擁有極低變異量的相位雜訊。

上述之實施例僅為例示性說明本發明之特點及其功效，而非用於限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟習此技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

Claims

一種變壓器反饋正交壓控振盪器，係包括：一第一半電路；以及一第二半電路，係電性連接該第一半電路；其中該第一半電路和該第二半電路的每一者包括；一第一耦合電容；一第二耦合電容；一感應電感；一NMOS電晶體；一PMOS電晶體；以及一頻率調諧電路，其一第一端連接該感應電感的一第一端、該PMOS電晶體的一汲極和該NMOS電晶體的一閘極，其一第二端連接該感應電感的一第二端、該NMOS電晶體的一汲極和該PMOS電晶體的一閘極；其中該第一半電路和該第二半電路的該等感應電感形成一變壓器，該第一半電路的該PMOS電晶體的一基極(body)透過該第一半電路的該第一耦合電容連接到該第二半電路的該PMOS電晶體的一源極，該第一半電路的該NMOS電晶體的一基極透過該第一半電路的該第二耦合電容連接到該第二半電路的該NMOS電晶體的一源極，該第二半電路的該PMOS電晶體的一基極透過該第二半電路的該第一耦合電容連接到該第一半電路的該NMOS電晶體的一源極，該第二半電路的該NMOS電晶體的一基極透過該第二半電路的該第二耦合電容連接到該第一半電路的該PMOS電晶體的一源極，該等PMOS電晶體和該等NMOS電晶體的該等汲極用於輸出多個正交相位的多個本地振盪信號，且一本地振盪頻率係基於一頻率-電壓曲線，根據施加到該頻率調諧電路的一頻率調諧電壓而被確定。
如請求項1所述之變壓器反饋正交壓控振盪器，其中該第一半和第二半電路的該等第一耦合電容和第二耦合電容係為兩可變耦合電容，並形成一動態相位誤差校正電路。
如請求項1所述之變壓器反饋正交壓控振盪器，其中該第一半電路的該NMOS電晶體、該PMOS電晶體與該感應電感形成一第一壓控振盪器，以及該第二半電路的該NMOS電晶體、該PMOS電晶體與該感應電感形成一第二壓控振盪器。
如請求項1所述之變壓器反饋正交壓控振盪器，其中該第一半電路和該第二半電路的每一者還包括：一開關電容裝置，其一第一端連接該頻率調諧電路的該第一端，其一第二端連接到該頻率調諧電路的該第二端，其中給該開關電容裝置的一代碼被用來改變該頻率-電壓曲線。
如請求項1所述之變壓器反饋正交壓控振盪器，其中該第一半電路和該第二半電路的每一者還包括：一第一電感，其中該PMOS電晶體的該源極通過該第一電感連接到一系統電壓；以及一第二電感，其中該NMOS電晶體的該源極通過該第二電感連接到一接地電壓。
如請求項1所述之變壓器反饋正交壓控振盪器，其中該頻率調諧電路包括：一第一可變電容；一第二可變電容；一第一電阻；一第二電阻；一第一電容；以及一第二電容；其中該頻率調諧電壓被施加到該第一可變電容的一第一端和該第二可變電容的一第一端，該第一可變電容的一第二端連接到該第一電阻的一第二端和該第一電容的一第二端，該第二可變電容的一第二端連接到該第二電阻的一第二端和該第二電容的一第二端，一偏置電壓係施加於該第一電阻的該第一端與該第二電阻的該第一端，以及該第一電阻的該第一端與該第二電阻的該第一端分別連接到該PMOS電晶體的該汲極端與該NMOS電晶體的該汲極端。
如請求項6所述之變壓器反饋正交壓控振盪器，其中當該頻率調諧電壓增加時，該第一可變電容的一電容值增加，且該第二可變電容的一電容值減少。
如請求項4所述之變壓器反饋正交壓控振盪器，其中該開關電容裝置包括：多個開關和多個電容，其中每個開關連接在該兩電容之間，每一組開關和對應的該等電容並聯連接到另一組開關與對應的該等電容，並且該代碼用於打開或關閉該等開關的至少其中一者。
如請求項1所述之變壓器反饋正交壓控振盪器，其中該本地振盪頻率為17.2GHz至18.6GHz。