TWI806682B

TWI806682B - 振盪器

Info

Publication number: TWI806682B
Application number: TW111124493A
Authority: TW
Inventors: 蕭碩源; 肖滿霞
Original assignee: 聯發科技股份有限公司
Priority date: 2021-09-24
Filing date: 2022-06-30
Publication date: 2023-06-21
Also published as: EP4156505A1; US11770100B2; TW202315302A; US20230100708A1

Abstract

本發明提供了一種振盪器，包括抽頭式電感器和交叉耦接對。該抽頭式電感器包括第一端子、第二端子、第一抽頭和第二抽頭。該交叉耦接對接收來自該第一端子和該第二端子的兩個輸入信號，以分別產生兩個輸出信號到該第一抽頭和該第二抽頭。本發明實施例可以增大抽頭式電感器的第一端子和第二端子處的電壓擺幅，從而可以減少相位雜訊。

Description

振盪器

本公開實施例通常涉及一種振盪器，以及更具體地，涉及一種具有抽頭式電感器的振盪器。

近來，低電源電壓已成為低功率系統的主要解決方案。然而，對於數位控制振盪器(digitally controlled oscillator，DCO)或壓控振盪器(voltage-controlled oscillator，VCO)而言，低電源電壓會導致振盪信號的擺幅較小，以及，信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)會因此變差。

以下發明內容僅是說明性的，而無意於以任何方式進行限制。即，提供以下概述來介紹本文描述的新穎和非顯而易見的技術的概念，重點，益處和優點。選擇的實施方式在下面的詳細描述中進一步描述。因此，以下發明內容既不旨在標識所要求保護的主題的必要特徵，也不旨在用於確定所要求保護的主題的範圍。

本發明的目的之一在於提供一種振盪器，其交叉耦接對的輸出端連接到電感器的抽頭，能夠減少相位雜訊。

第一方面，本發明提供一種振盪器，包括：抽頭式電感器，包括第一端子、第二端子、第一抽頭和第二抽頭；以及交叉耦接對，該交叉耦接對接收來自該第一端子的第一輸入信號和來自該第二端子的第二輸入信號，以產生第一輸出信號和第二輸出信號到該第一抽頭和該第二抽頭。

在一些實施例中，該交叉耦接對包括第一裝置和第二裝置，該第一裝置接收來自該第二端子的該第一輸入信號，以產生該第一輸出信號至該第一抽頭，以及，該第二裝置接收來自該第一端子的該第二輸入信號，以產生該第二輸出信號至該第二抽頭。

在一些實施例中，該第一裝置由第一電晶體實現，該第一電晶體的閘極耦接到該第二端子，該第一電晶體的汲極耦接到該第一抽頭；以及，該第二裝置由第二電晶體實現，該第二電晶體的閘極耦接到該第一端子，該第二電晶體的汲極耦接到該第二抽頭。

在一些實施例中，該振盪器還包括：電容器，耦接在該第一抽頭和該第二抽頭之間。

在一些實施例中，該抽頭式電感器是多匝抽頭式電感器。

在一些實施例中，該抽頭式電感器包括串聯的第一電感、第二電感和第三電感，該第一電感耦接在該第一端子和該第一抽頭之間，該第二電感耦接在該第一抽頭和該第二抽頭之間，以及，該第三電感耦接在該第二抽頭和該第二端子之間。

在一些實施例中，該交叉耦接對包括第一裝置和第二裝置，該第一裝置接收來自該第二端子的第一輸入信號，以產生該第一輸出信號至該第一抽頭，以及，該第二裝置接收來自該第一端子的該第二輸入信號，以產生該第二輸出信號至該第二抽頭。

在一些實施例中，該第一電感、該第二電感和該第三電感具有相同的極性。

在一些實施例中，該第一端子為該第一電感的正極，該第一抽頭為該第二電感的正極，該第二抽頭為該第三電感的正極；或者，該第一端子為該第一電感的負極，該第一抽頭為該第二電感的負極，該第二抽頭為該第三電感的負極。

在一些實施例中，該交叉耦接對的連接產生正反饋。

在一些實施例中，該第一電感、該第二電感和該第三電感之間分別產生正互感。

本發明內容是通過示例的方式提供的，並非旨在限定本發明。在下面的詳細描述中描述其它實施例和優點。本發明由申請專利範圍限定。

100:振盪器

110:第一裝置

120:第二裝置

130:電容器

140:抽頭式電感器

310:組件

MN1,MN2:電晶體

N1,N4:抽頭式電感器140的端子

N2,N3:抽頭式電感器140的抽頭

L1:第一電感

L2:第二電感

L3:第三電感

M12:第一電感和第二電感之間的互感

M23:第二電感和第三電感之間的互感

M13:第一電感和第三電感之間的互感

附圖(其中，相同的數字表示相同的組件)示出了本發明實施例。包括的附圖用以提供對本公開實施例的進一步理解，以及，附圖被併入並構成本公開實施例的一部分。附圖示出了本公開實施例的實施方式，並且與說明書一起用於解釋本公開實施例的原理。可以理解的是，附圖不一定按比例繪製，因為可以示出一些部件與實際實施中的尺寸不成比例以清楚地說明本公開實施例的概念。

第1圖是根據本發明一實施例示出的振盪器的示意圖。

第2圖是根據本發明一實施例示出的位於振盪器內的抽頭式電感器的示意圖。

第3圖是根據本發明一實施例示出的振盪器的示意圖。

第4圖是根據本發明第一實施例示出的抽頭式電感器的示意圖。

第5圖是根據本發明第二實施方式示出的抽頭式電感器的示意圖。

第6圖是根據本發明第三實施方式示出的抽頭式電感器的示意圖。

在下面的詳細描述中，為了說明的目的，闡述了許多具體細節，以便所屬技術領域中具有通常知識者能夠更透徹地理解本發明實施例。然而，顯而易見的是，可以在沒有這些具體細節的情況下實施一個或複數個實施例，不同的實施例或不同實施例中披露的不同特徵可根據需求相結合，而並不應當僅限於附圖所列舉的實施例。

以下描述為本發明實施的較佳實施例。以下實施例僅用來例舉闡釋本發明的技術特徵，並非用來限制本發明的範疇。在通篇說明書及申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的組件。所屬技術領域中具有通常知識者應可理解，製造商可能會用不同的名詞來稱呼同樣的組件。本說明書及申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區別組件的方式，而係以組件在功能上的差異來作為區別的基準。本發明的範圍應當參考后附的申請專利範圍來確定。在以下描述和申請專利範圍當中所提及的術語“包含”和“包括”為開放式用語，故應解釋成“包含，但不限定於...”的意思。此外，術語“耦接”意指間接或直接的電氣連接。因此，若文中描述一個裝置耦接至另一裝置，則代表該裝置可直接電氣連接於該另一裝置，或者透過其它裝置或連接手段間接地電氣連接至該另一裝置。文中所用術語“基本”或“大致”係指在可接受的範圍內，所屬技術領域中具有通常知識者能夠解決所要解決的技術問題，基本達到所要達到的技術效果。舉例而言，“大致等於”係指在不影響結果正確性時，所屬技術領域中具有通常知識者能夠接受的與“完全等於”有一定誤差的方式。

第1圖是根據本發明一實施例示出的振盪器100的示意圖。如第1圖所示，振盪器100包括交叉耦接對(cross-coupled pair)、電容器(capacitor)130和抽頭式電感器(tapped inductor)140，在第1圖的示例中，該交叉耦接對包括第一裝置(device) 110和第二裝置120。在本實施例中，該交叉耦接對的兩個輸入信號Vinn和Vinp耦接到抽頭式電感器140的兩個端子N1和N4，以及，該交叉耦接對的兩個輸出信號Voutn和Voutp耦接到抽頭式電感器140的兩個抽頭(tap)N2和N3。例如，在第1圖的示例中，抽頭N2、N3分別位於抽頭式電感器140的兩個端子N1和N4之間的不同位置處。具體地，第一裝置110接收輸入信號Vinp(輸入信號Vinp來自抽頭式電感器140的端子N4)，以產生輸出信號Voutn至抽頭式電感器140的抽頭N2，以及，第二裝置120接收輸入信號Vinn(輸入信號Vinn來自抽頭式電感器140的端子N1)，以產生輸出信號Voutp至抽頭式電感器140的抽頭N3，其中，兩個輸入信號Vinn和Vinp為差分信號，以及，兩個輸出信號Voutn和Voutp為差分信號。在本實施例中，振盪器100為電感電容諧振迴路(LC-tank)數控振盪器(DCO)或壓控振盪器(VCO)，以及，兩個輸出信號Voutn和Voutp作為(serve as)振盪器100的振盪信號。在第1圖的示例中，抽頭式電感器140和電感器130構成LC諧振迴路(LC-tank)。

在第1圖所示的實施例中，振盪器100的抽頭式電感器140為多匝抽頭式電感器(multi-turn tapped inductor)，因此，通過其自身的互感(its own mutual inductance)可以增大該交叉耦接對的擺幅，這進而能夠提升交叉耦接對的轉導。具體來說，參照第2圖，抽頭式電感器140可包括多個串聯的電感(在本實施例中，抽頭式電感器140包括三個電感)，其中，具有電感值(inductance)L1的第一電感(或者，可稱為“第一電感L1”)耦接在端子N1和抽頭N2之間，具有電感值L2的第二電感(或者，可稱為“第二電感L2”)耦接在在抽頭N2和N3之間，以及，具有電感值L3的第三電感(或者，可稱為“第三電感L3”)耦接在抽頭N3和端子N4之間。在本實施例中，第一電感和第二電感之間存在互感M12，第二電感和第三電感之間具有互感M23，第一電感和第三電感之間具有互感M13，因此，抽頭式電感器140的總電感值(total inductance)等於“L1+L2+L3+2*M12+2*M13+2*M23”，以及，端子N1和抽頭N2之間的電壓差V1，抽頭N2和抽頭N3之間的電壓差V2，抽頭N3和端子N4之間的電壓差V3可表示如下，其中，符號“i”為流經抽頭式電感器140的電流：

在上面的等式(1)-(3)中，由於互感M12/M13/M23使得電壓差V1、V2、V3(即，跨第一電感的電壓、跨第二電感的電壓、跨第三電感的電壓)增大，因此，端子N1和N4處的電壓擺幅變大，以及，該交叉耦接對的轉導被有效地增大。

在第1圖所示的實施例中，交叉耦接對被連接以具有正反饋(positive feedback)，該正反饋(例如，交叉耦接對的連接使得第一電感、第二電感和第三電感之間產生正互感)產生負電阻(negative resistance)以維持振盪。本領域普通技術人員可以理解，該負電阻是指從交叉耦接對的輸出端看向交叉耦接對的電阻。在常規技術中，交叉耦接對的輸出信號連接到端子N1和N4，負電阻等於“-2/gm”，其中，術語“gm”為交叉耦接對的轉導。在第1圖的實施例中，負電阻等於“-2/(gm*(1+2α))”，其中，術語“α”是“V1”與“V2”的比值(ratio)。在本發明實施例中，第一電感、第二電感和第三電感具有相同的極性(交叉耦接對的連接產生正反饋)，從而，電壓V1、V2、V3具有相同的極性，也就是說，α為正值。因此，“-2/(gm*(1+2α))”大於“-2/gm”，也就是說，本實施例的振盪器100具有比常規技術更好的負電阻，從而，振盪器100的品質因數(quality factor，亦可互換地描述為質量因子)變得更好。

綜上所述，在相同的偏置電流下，由於振盪器110的交叉耦接對的轉導增大，因此，本發明能夠以更低的功耗達到期望的轉導。此外，由於振盪器100的品質因數變得更好，因此，可以以更小的芯片面積實現期望的品質因數。此外，端子N1和N4處的電壓擺幅的增大能夠使得相位雜訊減少。

在一實施例中，第一裝置110和第二裝置120中的每一個都可以由如第3圖所示的電晶體實現。如第3圖所示，第一裝置110由電晶體(例如，N型電晶體)MN1來實現，其中，電晶體MN1的閘極接收輸入信號Vinp，以在汲極產生輸出信號Voutn。第二裝置120由電晶體(例如，N型電晶體)MN2來實現，其中，電晶體MN2的閘極接收輸入信號Vinn，以在汲極產生輸出信號Voutp。此外，抽頭式電感器140的抽頭N2和N3中的每一個可以通過組件(component)310連接到電源電壓VDD，其中，組件310可以包括電流源，其耦接在電源電壓VDD和電晶體MN1、MN2的汲極之間；或者，組件310可以包括P型電晶體，其耦接在電源電壓VDD和電晶體MN1、MN2的汲極之間；或者，組件310可以包括另一交叉耦接對，其耦接在電源電壓VDD和電晶體MN1、MN2的汲極之間。由於本發明著重於第一裝置110、第二裝置120與抽頭式電感器140之間的連接，以及，本領域技術人員應了解如何實現組件310，因此，本文不再詳細描述組件310及振盪器100的其它部分的細節。

關於抽頭式電感器140，為了提供正互感以提高交叉耦接對的轉導，抽頭式電感器140被設計為具有多匝(multiple turns)，以及，這些電感(例如，上面描述的L1、L2、L3)共享相同的磁通量(flux)。以第2圖為例，第一電感、第二電感和第三電感具有相同的極性，即，端子N1是第一電感的正極/正端 (positive terminal)，抽頭N2是第二電感的正極，抽頭N3是第三電感的正極；或者，端子N1是第一電感的負極/負端(negative terminal)，抽頭N2是第二電感的負極，以及，抽頭N3是第三電感的負極。

第4圖是根據本發明第一實施例示出的抽頭式電感器140的示意圖。如第4圖所示，抽頭式電感器140具有兩匝(two turns)。在第4圖示出的連接關係中，抽頭式電感器140的外匝(outer turn)的左半部分(left half，即端子N1和抽頭N2之間的線圈部分)對應於第2圖中所示的具有電感值L1的第一電感，抽頭式電感器140的外匝的右半部分(right half，即抽頭N3和端子N4之間的線圈部分)對應於第2圖中所示的具有電感值L3的第三電感，以及，抽頭式電感器140的內匝(inner turn)對應於第2圖中所示的具有電感值L2的第二電感。

第5圖是根據本發明第二實施例示出的抽頭式電感器140的示意圖。如第5圖所示，抽頭式電感器140具有三匝。在第5圖示出的連接關係中，抽頭式電感器140的外匝的左半部分和中間匝的右半部分對應於第2圖中示出的具有電感值L1的第一電感，抽頭式電感器140的中間匝的左半部分和外匝的右半部分對應於第2圖中示出的具有電感值L3的第三電感，以及，抽頭式電感器140的內匝對應於第2圖中示出的具有電感值L2的第二電感。

第6圖是根據本發明第三實施例示出的抽頭式電感器140的示意圖。如第6圖所示，抽頭式電感器140具有三匝，其中，抽頭式電感器140的中間匝的左半部分和外匝的右半部分對應於第2圖中示出的具有電感值L1的第一電感，抽頭式電感器140的外匝的左半部分和中間匝的右半部分對應於第2圖中示出的具有電感值L3的第三電感，以及，抽頭式電感器140的內匝對應於第2圖中示出的具有電感值L2的第二電感。第4圖至第6圖示出了抽頭式電感器140的一些示例，但本發明並不限於這些示例，例如，凡是能夠在抽頭式電感器內的多個電感之間提供正互感(例如，共享相同的磁通量)的抽頭式電感器均可以用於實現本發明實施例中的抽頭式電感器140，本發明對此不做任何限制。

簡而言之，在本發明的振盪器中，通過使用抽頭式電感器以及將交叉耦接對的輸出信號連接到該抽頭式電感器的抽頭(以使該抽頭式電感器構成的多個電感器之間能夠提供正互感，以提高交叉耦接對的轉導，在一些實施例中，為了提供該正互感，該多個電感器共享相同的磁通量)，能夠提高抽頭式電感器兩端的電壓擺幅，從而可以降低相位雜訊，以及，交叉耦接對的轉導能夠被增大，因此，本發明能夠以更低的功耗達到期望的轉導，也就是說，在實現類似性能時可以降低功耗。

在申請專利範圍中使用諸如“第一”，“第二”，“第三”等序數術語來修改申請專利要素，其本身並不表示一個申請專利要素相對於另一個申請專利要素的任何優先權、優先級或順序，或執行方法動作的時間順序，但僅用作標記，以使用序數詞來區分具有相同名稱的一個申請專利要素與具有相同名稱的另一個元素要素。

雖然已經對本發明實施例及其優點進行了詳細說明，但應當理解的係，在不脫離本發明的精神以及申請專利範圍所定義的範圍內，可以對本發明進行各種改變、替換和變更，例如，可以通過結合不同實施例的若干部分來得出新的實施例。所描述的實施例在所有方面僅用於說明的目的而並非用於限制本發明。本發明的保護範圍當視所附的申請專利範圍所界定者為准。所屬技術領域中具有通常知識者皆在不脫離本發明之精神以及範圍內做些許更動與潤飾。

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:振盪器

110:第一裝置

120:第二裝置

130:電容器

140:抽頭式電感器

Claims

一種振盪器，包括：抽頭式電感器，包括第一端子、第二端子、第一抽頭和第二抽頭；交叉耦接對，該交叉耦接對接收來自該第一端子的第一輸入信號和來自該第二端子的第二輸入信號，以產生第一輸出信號和第二輸出信號到該第一抽頭和該第二抽頭；以及電容器，耦接在該第一抽頭和該第二抽頭之間。
如請求項1所述之振盪器，其中，該交叉耦接對包括第一裝置和第二裝置，該第一裝置接收來自該第二端子的該第一輸入信號，以產生該第一輸出信號至該第一抽頭，以及，該第二裝置接收來自該第一端子的該第二輸入信號，以產生該第二輸出信號至該第二抽頭。
如請求項2所述之振盪器，其中，該第一裝置由第一電晶體實現，該第一電晶體的閘極耦接到該第二端子，該第一電晶體的汲極耦接到該第一抽頭；以及，該第二裝置由第二電晶體實現，該第二電晶體的閘極耦接到該第一端子，該第二電晶體的汲極耦接到該第二抽頭。
如請求項1所述之振盪器，其中，該抽頭式電感器是多匝抽頭式電感器。
如請求項1所述之振盪器，其中，該抽頭式電感器包括串聯的第一電感、第二電感和第三電感，該第一電感耦接在該第一端子和該第一抽頭之間，該第二電感耦接在該第一抽頭和該第二抽頭之間，以及，該第三電感耦接在該第二抽頭和該第二端子之間。
如請求項5所述之振盪器，其中，該交叉耦接對包括第一裝置和第二裝置，該第一裝置接收來自該第二端子的第一輸入信號，以產生該第一輸出信號至該第一抽頭，以及，該第二裝置接收來自該第一端子的該第二輸入信號，以產生該第二輸出信號至該第二抽頭。
如請求項6所述之振盪器，其中，該第一裝置由第一電晶體實現，該第一電晶體的閘極耦接到該第二端子，該第一電晶體的汲極耦接到該第一抽頭；以及，該第二裝置由第二電晶體實現，該第二電晶體的閘極耦接到該第一端子，該第二電晶體的汲極耦接到該第二抽頭。
如請求項5所述之振盪器，其中，該第一電感、該第二電感和該第三電感具有相同的極性。
如請求項5所述之振盪器，其中，該第一端子為該第一電感的正極，該第一抽頭為該第二電感的正極，該第二抽頭為該第三電感的正極；或者，該第一端子為該第一電感的負極，該第一抽頭為該第二電感的負極，該第二抽頭為該第三電感的負極。
如請求項1所述之振盪器，其中，該交叉耦接對的連接產生正反饋。
如請求項5所述之振盪器，其中，該第一電感、該第二電感和該第三電感之間分別產生正互感。