一種時鐘發生器及相關的偏置電路的製作方法
2023-05-26 17:45:41
專利名稱：一種時鐘發生器及相關的偏置電路的製作方法
技術領域：
本發明為一種時鐘發生器(clock generator)及該時鐘發生器所採用的偏置電路(biasing circuit)，特別是一種不需石英振蕩器即可提供穩定時鐘信號的時鐘發生器。
背景技術：
在信號處理系統中，提供一穩定可靠的時鐘信號是非常重要的。請參考圖1，圖1為一公知模擬鎖相迴路(Phase Locked Loop)100的功能方塊圖。模擬鎖相迴路100包含有一石英振蕩器(Crystal Oscillator)110、一分頻器120、一相位/頻率檢測器(Phase-Frequency Detector)130、一電荷泵140、一迴路濾波器150及一壓控振蕩器(Voltage-Controlled Oscillator)160。利用分頻器120，模擬鎖相迴路100可將壓控振蕩器160輸出的振蕩信號FVCO除以一特定倍數後輸入至相位/頻率檢測器130。然後，相位/頻率檢測器130計算出分頻器120的輸出信號與石英振蕩器110產生的參考時鐘信號Fref間的相位及頻率差，並據以輸出對應的差異信號。電荷泵140可依據相位/頻率檢測器130輸出的差異信號對迴路濾波器150進行充電或放電，而迴路濾波器150則對應地產生一控制電壓Vc至壓控振蕩器160。最後，壓控振蕩器160則輸出對應於控制電壓Vc的振蕩信號FVCO。依此方式，利用石英振蕩器100產生的穩定參考時鐘信號Fref，鎖相迴路100可以提供穩定而精確的時鐘信號，並可藉助改變分頻器120的分頻倍數而改變所輸出的振蕩信號的頻率。鎖相迴路的基本結構有許多不同種類，其中包含數字鎖相迴路。目前市面上有許多不同的時鐘發生器可提供時鐘信號，然而，不論何種鎖相迴路，通常使用石英振蕩器以提供一正確的參考時鐘信號，但高精確性及低噪聲的石英振蕩器卻非常昂貴。再者，不論使用何種振蕩器，振蕩器所需的成本往往佔整個鎖相迴路成本的大部分。因此，利用簡化或改變除石英振蕩器外的元件所能節省的成本是非常有限的。此外，使用非石英振蕩器的振蕩器會因振蕩信號的低頻閃爍噪聲(Flicker Noise)及熱噪聲(Thermal Noise)造成時鐘抖動(jitter)。特別是在視頻系統中，低頻抖動的頻率範圍約與水平同步(HSYNC)信號的頻率範圍相同，使得低頻抖動的問題在視頻系統中更顯嚴重。
發明內容
因此，本發明的主要目的即在於提供一種具有低抖動時鐘特性的時鐘發生器及其偏置電路。
本發明公開一種時鐘發生器，其包含有一電流控制振蕩器，包含有一輸入端及一輸出端，用以通過該輸入端接收一控制電流，及根據該控制電流由該輸出端輸出一頻率的時鐘信號；以及一偏置電路，電連接於該電流控制振蕩器，其包含有一電流鏡像電路，其包含一第一電流輸出端及一第二電流輸出端，該第一電流輸出端電連接於該電流控制振蕩器的該輸入端用以輸出該控制電流，該第二電流輸出端映射該第一電流輸出端的電流信號；一電阻，包含一端電連接於該電流鏡像電路的第二電流輸出端；一運算放大器，包含有一第一輸入端、一第二輸入端及一輸出端，該第一輸入端電連接於該電流鏡像電路的第二電流輸出端，該輸出端電連接於該電流鏡像電路；一二極體，包含一P端電連接於該運算放大器的第二輸入端；以及一電流源，包含有一第一端及一第二端，該第一端電連接至該二極體的該P端，該第二端電連至該運算放大器的輸出端。
本發明還公開一種偏置電路，用以控制一電流振蕩器，其包含有一電流鏡像電路，包含一第一電流輸出端及一第二電流輸出端，該第一電流輸出端電連接於該電流控制振蕩器的該輸入端用以輸出一控制電流，該第二電流輸出端映射該第一電流輸出端的電流信號；一電阻，包含一第一端及一第二端，該第一端電連接到該電流鏡像電路的第二電流輸出端，該第二端電連至一低電平參考電壓；一運算放大器，包含有一第一輸入端、一第二輸入端及一輸出端，該第一輸入端電連接於該電流鏡像電路的第二電流輸出端，該輸出端電連接於該電流鏡像電路；一二極體，包含一第一端(P極)及一第二端(N極)，該第一端電連接到該運算放大器的第二輸入端，該第二端電連至該低電平參考電壓；以及一電流源，包含有一第一端、一第二端及一第三端，該第一端電連至該二極體的該第一端，該第二端電連至該運算放大器的輸出端，該第三端電連至一高電平參考電壓。
圖1為一公知模擬鎖相迴路的功能方塊圖。
圖2為本發明一實施例時鐘發生器的功能方塊圖。
圖3為本發明一實施例偏置電路的功能方塊圖。
主要元件符號說明100模擬鎖相迴路 110石英振蕩器120分頻器130相位/頻率檢測器140電荷泵150迴路濾波器160壓控振蕩器Fvco振蕩信號200時鐘發生器210電流控制振蕩器220、320偏置電路 222電流鏡像電路224、324電阻 226、326運算放大器230電流源228、328二極體240反相器2221、2222電流輸出端I1、I2電流 P1、P2、P3電晶體Vbe電壓具體實施方式
電流鏡像電路本發明提供一種時鐘發生器及一偏置電路。本發明的時鐘發生器包含有一普通的電流控制振蕩器，而偏置電路中無需石英振蕩器即可提供具有低抖動特性的參考時鐘信號。在公知技術中，不論鎖相迴路的結構為何，鎖相迴路都需要石英振蕩器以提供穩定的參考時鐘信號並據以輸出一正確且低抖動的振蕩信號。然而，在本發明中，時鐘發生器及其所採用的偏置電路可降低輸出的參考時鐘信號中的抖動噪聲。因此，石英振蕩器可被置換，而生產也可降低。
公知技術中，必須使用石英振蕩器以產生參考時鐘信號的原因，是因為大多數的真實電路，或多或少都會有不精確或不純淨的問題。舉例來說，帶隙(Bandgap)電壓發生器所產生的參考電壓，通常都存在最高可達7％的平移誤差(Offset Error)及高抖動噪聲。當使用帶隙電壓發生器所產生的參考壓控一振蕩器以輸出時鐘信號時，其高抖動噪聲效應會造成最終輸出的振蕩信號非常嚴重的錯誤。請參考圖2，圖2為本發明時鐘發生器200的功能方塊圖。本發明時鐘發生器200包含有一電流控制振蕩器210及一偏置電路220。電流控制振蕩器210可根據所接收的控制電流產生時鐘信號。偏置電路220包含有一電流鏡像電路222、一電阻224、一運算放大器(OperationAmplifier)226、一電流源230、一二極體228及一反相器(或一緩衝器)240。其中，電阻224電連接到電流鏡像電路222；二極體228電連接到電流源230；反相器(或緩衝器)240電連接到電流控制振蕩器210。電流鏡像電路222的第一電流輸出端2221電連接至電流控制振蕩器210的輸入端，用以將電流鏡像電路222產生的第一輸出電流I1輸入至電流控制振蕩器210中以作為電流控制振蕩器210的控制電流。電流鏡像電路222的第二電流輸出端2222輸出的第二輸出電流I2為第一輸出電流I1的鏡射，即I1＝k*I2。運算放大器226的第一輸入端1電連至電流鏡像電路222的第二電流輸出端2222，運算放大器226的第二輸入端2電連至二極體228，而運算放大器226的輸出端3則電連至222電流鏡像電路及電流源230的柵極。其中，二極體228可以是金屬氧化物半導體電晶體中的寄生雙極型電晶體，用以更進一步地降低抖動所造成的噪聲。二極體228上的電壓Vbe為一穩定且可視電路設計而知的值。根據二極體228的特性，Vbe的閃爍噪聲及熱噪聲，相較於帶隙電路所產生的參考電壓的高閃爍噪聲及熱噪聲，是非常低的。當運算放大器2 26形成閉路時，運算放大器226的第一輸入端1與第二輸入端2的電壓為相同。因此，電阻224上的電流為Vbe/R。如前所述，第一輸出電流I1與第二輸出電流I2間的關係是預設且固定的，因此第一輸出電流I1就應是K*Vbe/R。由於電流I1與I2為鏡射電流，使得第一輸出電流I1會具有與第二輸出電流I2一樣的低抖動噪聲。如此一來，電流控制振蕩器210輸出的時鐘信號或反相器(或緩衝器)240的輸出信號Fout，相較於公知由帶隙電流控制的電流控制振蕩器，會有較低的抖動時鐘，即較為穩定的時鐘。
本發明偏置電路利用二極體的低噪聲特性以提供一合適的控制電流。在圖2的實施例中，二極體228可由互補式金屬氧化物半導體電晶體中的寄生雙極結型(bipolar juction)所組成。此外，電流源230可以P型金屬氧化物半導體電晶體實現，而運算放大器226的輸出端則電連接至所採用的P型金屬氧化物半導體電晶體的柵極。當然，只要可以提供適當的電流至二極體228中，並與運算放大器226形成一閉迴路，電流源230亦可以其它不同的方式實現。同樣地，電流鏡像電路222也有許多不同的實現方式。此外，電流控制振蕩器210的實現不限於圖2中所繪的串接式振蕩器，亦可採用其它不同類型的電流控制振蕩器，只要能根據本發明中偏置電路所產生的穩定而純淨的控制電流，提供時鐘信號即可。
請參考圖3，圖3為本發明一實施例偏置電路320的功能方塊圖。在圖3中，電晶體P1、P2及P3皆為P型金屬氧化物半導體電晶體。電晶體P1與P2組成一電流鏡像電路，用以輸出電流I1與I2，其中，電流I1為電流I2的鏡射。電晶體P1與P2的源極電連接至一電壓源。電晶體P1的漏極為電流境的第一電流輸出端，而電晶體P2的漏極電連接至運算放大器326的第一輸入端31及電阻324。電晶體P1、P2及P3的柵極皆電連至運算放大器326的輸出端33。電晶體P3為一電流源，用以提供電流至二極體328。運算放大器326形成一閉迴路，使得運算放大器326的兩輸入端31及32保持電位相等。因此，在與圖2的電流鏡像電路222相同條件下，在圖3中，若電阻324上的電流I2為Vbe/R，則電流I1為K*Vbe/R。如前所述，由於二極體328的半導體特性，電流I1為純淨且低噪聲。為求簡潔，圖3中本發明偏置電路320為一精簡的實施例。在實際應用上，任何有相同表現的電路均為本發明的範疇。
本發明公開一種不需石英振蕩器即可提供低抖動時鐘信號的時鐘發生器，其可滿足信號處理系統中鎖相迴路的要求，更大幅降低生產成本。特別是在視頻信號處理系統中，取樣及信號處理的時鐘準確度往往是決定畫面表現的極重要因素。同時，視頻信號處理系統的表現，會因為振蕩信號的閃爍噪聲及熱噪聲所造成的抖動落在水平同步(HSYNC)信號的頻率範圍中，而使得視頻信號處理系統的表現大幅下降。本發明時鐘發生器則以一包含二極體所構成的偏置電路降低最終輸出振蕩信號的閃爍噪聲及熱噪聲，因此，本發明不旦可提升取樣及信號處理的時鐘穩定度，更可降低系統的生產成本。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明權利要求所進行的等效變化與修改，皆應屬本發明的涵蓋範圍。
權利要求
1.一種時鐘發生器，其包含有一電流控制振蕩器，包含一輸入端及一輸出端，用以通過該輸入端接收一控制電流，及根據該控制電流由該輸出端輸出一時鐘信號；以及一偏置電路，電連接於該電流控制振蕩器，其包含有一電流鏡像電路，包含一第一電流輸出端及一第二電流輸出端，該第一電流輸出端電連接於該電流控制振蕩器的輸入端用以輸出該控制電流，該第一電流輸出端的該控制電流為映射該第二電流輸出端的電流信號；一電阻，包含一端電連接到該電流鏡像電路的第二電流輸出端；一運算放大器，包含有一第一輸入端、一第二輸入端及一輸出端，該第一輸入端電連接於該電流鏡像電路的第二電流輸出端，該輸出端電連接到該電流鏡像電路；一二極體，包含一P端電連接到該運算放大器的第二輸入端；以及一電流源，包含有一第一端及一第二端，該第一端電連至該二極體的該P端，該第二端電連至該運算放大器的輸出端。
2.如權利要求1所述的時鐘發生器，還包含一反相器，電連接於該電流控制振蕩器的輸出端。
3.如權利要求1所述的時鐘發生器，還包含一緩衝器，電連接於該電流控制振蕩器的輸出端。
4.如權利要求1所述的時鐘發生器，其中該電流鏡像電路包含有一第一P型金屬氧化物半導體電晶體，包含有一源極，電連接到一電壓源；一漏極，電連接到該電流控制振蕩器的輸入端；以及一柵極，電連接到該運算放大器的輸出端；以及一第二P型金屬氧化物半導體電晶體，包含有一源極，電連接到一電壓源；一漏極，電連接到該運算放大器的第一輸入端；以及一柵極，電連接到該運算放大器的輸出端。
5.如權利要求1所述的時鐘發生器，其中該電流源為一P型金屬氧化物半導體電晶體，該電流源的第一端為該P型金屬氧化物半導體電晶體的漏極，該電流源的第二端為該P型金屬氧化物半導體電晶體的柵極。
6.如權利要求1所述的時鐘發生器，其中該電流控制振蕩器為一串接式振蕩器。
7.如權利要求1所述的時鐘發生器，其中該二極體為一寄生雙極結型電晶體所構成。
8.一種偏置電路，用以控制一電流振蕩器，其包含有一電流鏡像電路，包含一第一電流輸出端及一第二電流輸出端，該第一電流輸出端電連接到該電流控制振蕩器的輸入端用以輸出一控制電流，該第一電流輸出端的該控制電流映射該第二電流輸出端的電流信號；一電阻，包含一第一端及一第二端，該第一端電連接於該電流鏡像電路的第二電流輸出端，該第二端電連接至一低電平參考電壓；一運算放大器，包含有一第一輸入端、一第二輸入端及一輸出端，該第一輸入端電連接於該電流鏡像電路的第二電流輸出端，該輸出端電連接到該電流鏡像電路；一二極體，包含一P端及一N端，該P端電連接到該運算放大器的第二輸入端，該N端電連至該低電平參考電壓；以及一電流源，包含有一第一端、一第二端及一第三端，該第一端電連至該二極體的P端，該第二端電連至該運算放大器的輸出端，該第三端電連至一高電平參考電壓。
9.如權利要求8所述的偏置電路，其中該電流鏡像電路包含有一第一P型金屬氧化物半導體電晶體，包含有一源極，電連接到該高電平參考電壓；一漏極，用以輸出該控制電流；以及一柵極，電連接到該運算放大器的輸出端；以及一第二P型金屬氧化物半導體電晶體，包含有一源極，電連接到該高電平參考電壓；一漏極，電連接到該運算放大器的第一輸入端；以及一柵極，電連接到該運算放大器的輸出端。
10.如權利要求8所述的偏置電路，其中該電流源為一P型金屬氧化物半導體電晶體，該電流源的第一端為該P型金屬氧化物半導體電晶體的漏極，該電流源的第二端為該P型金屬氧化物半導體電晶體的柵極，該電流源的第三端為該P型金屬氧化物半導體電晶體的源極。
11.如權利要求8所述的偏置電路，其中該二極體為一寄生雙極型電晶體所構成。
全文摘要
本發明提供一種時鐘發生器及相關的偏置電路。該時鐘發生器不需石英振蕩器即可提供具有低抖動特性的時鐘信號。本發明時鐘發生器藉助一二極體及該偏置電路，利用二極體上的電壓的低閃爍噪聲及低熱噪聲，使得產生至一電流控制振蕩器的控制電流能維持穩定且純淨無噪聲的特性。因此，採用本發明的時鐘發生器而非石英振蕩器的鎖相迴路系統可大幅降低生產成本。
文檔編號H03L7/08GK1614893SQ200410089748
公開日2005年5月11日 申請日期2004年11月5日 優先權日2003年11月5日
發明者史德立, 張宏德 申請人:晨星半導體股份有限公司