提供電感負載的電路、使用該電路的壓控振蕩器及其方法

2023-07-31 15:17:51 2

專利名稱：提供電感負載的電路、使用該電路的壓控振蕩器及其方法
技術領域：
本發明涉及一種壓控振蕩器，尤其涉及一種具有平衡輸出的壓控振蕩。
背景技術：
在許多應用上，壓控振蕩器為一十分重要的電路。壓控振蕩器產生一 振蕩輸出信號，其中，該振蕩輸出信號為一周期性的信號，且其周期(頻 率)由一控制電壓所控制。在許多應用中， 一壓控振蕩器的平衡輸出
(balanced output)是被期望、被要求的。該平衡輸出包含有一第一部分(在 一正端)及一第二部分(在一負端)的一輸出信號，其中，該第一與該第 二部分上的信號為波形相同但彼此相角差180。的信號。通常來說， 一壓控 振蕩器包含有至少二增益級，以提供一振蕩信號。具單一增益級的一壓控 振蕩器並非不可能，但是須使用一電感方能實現。
請參閱「圖1」，其為已知單級平衡輸出壓控振蕩器100的一實施例的 架構示意圖。壓控振蕩器100包含有一交錯耦合差動電晶體對110、 一電感 Lla、 一電感Llb及一變容器(varator) 120。其中，交錯耦合差動電晶體 對110包含有一NMOS電晶體Mla及一NMOS電晶體Mlb,而變容器120 為受一控制電壓VCON控制的一電容器。如「圖1」所示，VSS表示一第 一固定電位(potential)的一第一節點，而VDD表示一第二固定電位的一 第二節點。差動電晶體對110提供能量以維持該平衡輸出信號VOUT+A的 振蕩，其中，VOUT+為在該正端的該第一部分，而VOUT-為在該負端的該 第二部分。電感Lla、 Lib與變容器120形成具有一共4展(resonant)頻率 約為1/2WZ^的一共振電路，其中，C為變容器120的電容值，L為電感Lla 的兩倍電容值(請注意，Lla與Llb具有相同的標稱(nominal)電感值)。通 過改變控制電壓VCON,電容C的電容值亦會隨之改變，且該共振頻率亦 會隨之變化。因此可知，壓控振蕩器100的振蕩頻率受控於控制電壓VCON。
已知的壓控振蕩器100的缺點為需要電感元件，而電感元件被實作於 晶片(IC)內是有其缺點的，例如佔晶片面積。此外，有三篇美國專利述及壓控振蕩器的議題，其專利號碼為US 6, 791， 422名稱為t Frequency synthesizer with digitally-controlled oscillator」、US 6， 734， 741名稱為 r Frequency synthesizer with digitally-controlled oscillator」及US6， 658， 748名稱為r Digitally-controlled L-C oscillator。因此，毋需電感元件的一 平衡輸出的壓控振蕩器為目前亟須克服的議題。

發明內容
本發明目的之一，在於解決上述已知技術所遭遇的問題。 本發明的一實施例公開了一壓控振蕩器。該壓控振蕩器用以依據一控 制電壓以出一平衡輸出振蕩信號，該壓控振蕩器包含有 一交錯耦合差動 對，具有一第一輸出端與一第二輸出端，該第一與第二輸出端用以輸出該 平衡輸出振蕩信號； 一電晶體對，耦接於該交錯耦合差動對，用以提供一 電感負載給該交錯耦合差動對；以及一可變元件，耦接於該交錯耦合差動 對的兩端，其中，該可變元件的電氣特性由該控制電壓所控制以調整該平 衡輸出振蕩信號的振蕩頻率。
本發明的 一 實施例公開了 一種輸出 一平衡輸出振蕩信號的輸出方法， 包含通過一交錯耦合差動對來輸出該平衡輸出振蕩信號；通過一電晶體 對提供一電感負載給該交錯耦合差動對；通過一可變元件耦接於該交錯耦 合差動對的兩端；以及通過一控制電壓來控制該可變元件的一電氣特性以 調整該平衡輸出振蕩信號的振蕩頻率。


圖1為已知壓控振蕩器的架構示意圖。 圖2為本發明的壓控振蕩器的一實施例的架構示意圖。 圖3為圖2的一電感負載電晶體的一小信號等效電路的一實施例的架 構示意圖。
主要元件符號說明
100、 200 壓控振蕩器 110、 210 交錯耦合差動對 120 變容器300 VCON
VDD、 VDD1、 VDD2 VSS
VOUT、 VOUT+、 VOUT-Mla、 Mlb、 M2a、 M2b、 M3a M3b、 M4
Lla、 Lib Rla、 Rlb、 Rg、 Ro Cgd 、 CgS
gm Vgs Zeff
具體實施例方式
說明書中所例示本發明的多個實施例，皆為本發明的優選實施例，其 目的用於說明本發明可以許多方式來加以實施以及非用來限定本發明實施 的範圍。換句話說，本領域技術人員當可通過此些實施例的描述而得知本 發明的細節，故在此不再贅述。
請參閱「圖2」，其為本發明單級平衡輸出(single-staged balanced-output) 壓控振蕩器200的一實施例的架構示意圖。壓控振蕩器200包含有一交錯 耦合差動對210、 一 NMOS電晶體M3a、 一 NMOS電晶體M3b,以及一壓 控可變電阻。交錯耦合差動對210包含有一NMOS電晶體M2a及一NMOS 電晶體M2b,並提供(sustain)該振蕩器的一平衡輸出信號VOUT+/-。電晶體 M3a、 M3b用以提供一 電感性負載於交錯耦合差動對210。該壓控可變電阻， 通過置於該平衡輸出信號￥011丁+/-的兩端間的一 NMOS電晶體M4來體 現。電晶體M4的有效電阻由耦接於其柵極端的一控制電壓VCON所控制。 對於電晶體M3a、 M3b,其漏極端皆耦接於一第一供給電壓VDD1,而其 源極端則分別耦接於該平衡輸出信號￥011丁+/-的兩端，且其柵極端分別經 由一電阻Rla、 Rlb而耦接於一第二供給電壓VDD2。對於差動對電晶體
電感負載電晶體等效電
路
控制電壓 供給電壓 接地端 輸出端 電晶體
電感 電阻 電容
跨導 電壓
等效阻抗M2a、 M2b,其源極端皆耦接於一接地端VSS，而其漏極端分別耦接於該
平衡輸出信號VOUT+A的兩端，且其柵極端分別耦接於對方的漏極端。一
實施例中，該第一供給電壓VDD1與第二供給電壓VDD2的電壓值不相同。
本發明的壓控振蕩器200的架構中無須使用電感元件，其原因在於壓
控振蕩器200是以電晶體對M3a、 M3b提供出一電感負載。通過檢視r圖
3 J中所示的電路300來得到驗證，這裡，「圖3」中所示的電路300為r圖
2衝的電晶體對M3a、M3b的一小信號等效電路的一實施例的架構示意圖。
在此，Cgs意指電晶體M3a或M3b的柵源極間的電容，Cgd意指柵漏極間的
電容，gm意指跨導(transconductance ), 意指輸出電阻，而Rg意指耦接
於柵極的電阻的電阻值(i.e. Rla或Rib )。小信號等效電路300的原理於教
科書中已被充分地說明，且亦為本領域技術人員的所悉知，故在此不另贅
述。在所關注(感興趣)的頻率範圍(一般而言，約不小於100MHz，例如是 介於lGHz 10GHz之間)中，可合理設定為&》i/g^且^《li"cv卜則由源
極端看入所得的等效阻抗Zw約為
e//~gm 。 + (sCgi/gm)J°
如果被電路安排成& 1/",且卜cv g卜i及卜cv"《1,則在上述(感興
趣)的頻率範圍中，等效阻抗Zeff可視為一電感阻抗。在上述的安排，晶體
管M3a或電晶體M3b就可提供出具有電感的功效。
然而，上述的安排與一真正的電感(如Lla或Lib)相較，電晶體 M3a或M3b則是有較大的損耗(lossy),或是可說成具有較低的品質因子 (quality factor, Q factor )。因此，電晶體M3a、 M3b實現一 Q值較低的 電感負載，而交錯耦合差動對M2a、 M2b的寄生電容(parasitic capacitance ) 實現了一電容負載，而交錯耦合差動對M2a、 M2b提供能量以維持一共振 頻率的振蕩，因此，壓控振蕩器200的功效等同於一具有較低Q因子的LC 振蕩器。由於本發明的壓控振蕩器300具有較低的Q值。因此，本發明的 壓控振蕩器300 —優選實施例，其共振頻率通過調整一可變電阻元件的數 值來調整。於是,控制電壓VCON控制可變電阻元件(電晶體M4)的電阻值， 則壓控振蕩器300的振蕩頻率可通過改變控制電壓VCON來作調整，其中 而電晶體M4的電阻值對于振蕩器的Q值與其共振頻率的變化有絕對的作 用。在另一實施例中，PMOS電晶體被用於體現該交錯耦合差動對M2a、 M2b及電感負載M3a、 M3b。在另一實施例中，一PMOS電晶體被用來取 代NMOS電晶體M4。在另一實施例中， 一受控制電壓VCON控制的變容 器被用來取代NMOS電晶體M4。在另 一實施例中，差動對M2a、 M2b的 兩源極端皆耦接於一電流源，而非直接連接於VSS。在不偏離本發明的精 神的前提下，上述任兩種實施例的結合，也可被用以實現本發明。然於其 他的半導體技術(如雙載子接面電晶體(BJT)、異質接面雙載子電晶體 (HBT)、金屬氧化物半導體場效電晶體(MESFET)...等)，也可用來取 代MOS電晶體而體現本發明。
以上所述僅為本發明的優選實施例，凡依本發明權利要求書所做的均 等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。
權利要求
1. 一種壓控振蕩器，用以依據一控制電壓以出一平衡輸出振蕩信號，該壓控振蕩器包含有一交錯耦合差動對，具有一第一輸出端與一第二輸出端，該第一與第二輸出端用以輸出該平衡輸出振蕩信號；一電晶體對，耦接於該交錯耦合差動對，用以提供一電感負載給該交錯耦合差動對；以及一可變元件，耦接於該交錯耦合差動對的兩端，其中，該可變元件的電氣特性由該控制電壓所控制以調整該平衡輸出振蕩信號的振蕩頻率。
2. 如權利要求1所述的壓控振蕩器，其中該交錯耦合差動對包含 一第一電晶體，該第一電晶體的源極耦接於一第一供給電壓，該第一電晶體的漏極耦接於該第一輸出端；以及一第二電晶體，該第二電晶體的源極耦接於該第一供給電壓，該第二電晶體的漏極耦接於該第二輸出端，而該第二電晶體的柵極耦接於該第一晶體 管的該漏極；其中，該第 一電晶體的柵極耦接於該第二電晶體的漏極。
3. 如權利要求1所述的壓控振蕩器，其中該可變元件的阻抗值與該控制 電壓成反比。
4. 如權利要求1所述的壓控振蕩器，其中該電晶體對包含有一第四晶體 管以及一第五電晶體，其中該電晶體對還包含有一第一電阻與一第二電阻，分別耦接於該第四與第五電晶體的柵極，其 中，該第四電晶體具有一跨導值gm，該第一電阻的電阻值大於1/gm。
5. 如權利要求4所述的壓控振蕩器，其中該交錯耦合差動對耦接一第一 供給電壓，該第一電阻與該第二電阻相耦接形成一接點，該接點用以接收一 第二供給電壓。
6. 如權利要求5所述的壓控振蕩器，其中該第一供給電壓與該第二供給 電壓的電壓值為不相同。
7. 如權利要求1所述的壓控振蕩器，其中該交錯耦合差動對具有一寄生 電容，以使得該壓控振蕩器的功效實質上等同於一LC振蕩器。
8. 如權利要求l所述的壓控振蕩器，其中，該平衡輸出振蕩信號的頻率不小於100MHz。
9. 如權利要求1所述的電路，其中，該平衡輸出振蕩信號的頻率不小於lGHz。
10. 如權利要求1所述的電路，其中，該平衡輸出振蕩信號的頻率介於lGHz 10GHz之間。
11. 一種輸出一平衡輸出振蕩信號的輸出方法，該方法包含有下列步驟通過一 交錯耦合差動對來輸出該平衡輸出振蕩信號；通過一電晶體對提供一電感負載給該交錯耦合差動對；通過一可變元件耦接於該交錯耦合差動對的兩端；以及通過一控制電壓來控制該可變元件的一電氣特性以調整該平衡輸出振蕩信號的振蕩頻率。
12. 如權利要求11所述的方法，其中該交錯耦合差動對包含一第一電晶體，該第一電晶體的源極耦接於一第一供給電壓，該第一電晶體的漏極耦接於該第一輸出端；以及一第二電晶體，該第二電晶體的源極耦接於該第一供給電壓，該第二電晶體的漏極耦接於該第二輸出端，而該第二電晶體的柵極耦接於該第一電晶體的該漏極；其中，該第一電晶體的柵極耦接於該第二電晶體的漏極。
13. 如權利要求11所述的方法，其中該可變元件的阻抗值與該控制電壓成反比。
14. 如權利要求11所述的方法，其中該電晶體對包含有一第四電晶體以及一第五電晶體，其中該電晶體對還包含有一第一電阻與一第二電阻，分別耦接於該第四與第五電晶體的柵極，其中，該第四電晶體具有一跨導值gm，該第一電阻的電阻值大於1/gm。
15. 如權利要求14所述的方法，其中該交錯耦合差動對耦接一第一供給電壓，該第一電阻與該第二電阻相耦接形成一接點，該接點用以接收一第二供給電壓，其中該第一供給電壓與該第二供給電壓的電壓值為不相同。
16. 如權利要求11所述的方法，其中該交錯耦合差動對具有一寄生電容，以使得該壓控振蕩器的功效實質上等同於一LC振蕩器。
17. —種用以提供一電感阻抗的電路，該電路包括有一第一電晶體，該第一電晶體的第一端耦接於一第一端點，該第一電晶體的第二端耦接於一第一供給電壓；以及一第 一 電阻元件，該第 一 電阻元件的第 一端耦接於該第 一 電晶體的柵極，該第一電阻元件的第二端耦接於一第二供給電壓；其中，該一第一電晶體具有一第一跨導值gml,該第一電阻元件的電阻值大於1/gml,以使得在一特定頻率範圍中該第一電晶體用以提供該電感阻抗。
18. 如權利要求17所述的電路，還包含有一第二電晶體，該第二電晶體的第一端耦接於一第二端點，該第二電晶體的第二端耦接於該第一供給電壓；以及一第二電阻元件，該第 一 電阻元件的第 一端耦接於該第二電晶體的柵極，該第二電阻元件的第二端耦接於該第二供給電壓；其中，該第二電晶體具有一第二跨導值gm2,該第二電阻元件的電阻值大於1 /gm2,以使得在一特定頻率範圍中該第 一電晶體用以提供該電感阻抗。
19. 如權利要求17所述的電路，其中，該電感阻抗實質上為。
20. 如權利要求17所述的電路，其中，該第一供給電壓與該第二供給電壓的電壓值為不相同。
21. 如權利要求17所述的電路，其提供該電感阻抗至一交錯耦合差動電晶體對，且該交錯耦合差動電晶體對具有一寄生電容，以使得該電路的功效實質上等同於一LC振蕩器。
22. 如權利要求21所述的電路，其中，該第一端點與該第二端點用以輸出一平衡輸出振蕩信號。
23. 如權利要求17所述的電路，其中，該特定頻率範圍介於lGHz 10GHz之間。
24. 如權利要求17所述的電路，其中，該特定頻率範圍不小於100MHz。
全文摘要
提供電感負載的電路、使用該電路的壓控振蕩器及其方法。該壓控振蕩器具有平衡輸出架構，包含一交錯耦合差動對、一電晶體對及一可變元件。該交錯耦合差動對用以維持一平衡輸出振蕩信號；該電晶體對，耦接於該平衡輸出振蕩信號，用以提供一電感負載於該交錯耦合差動對；而該可變電路元件耦接於該平衡輸出振蕩信號的兩端，其中，該可變電路元件的一電路特性受一控制電壓所控制。
文檔編號A61F2/958GK101505136SQ200910005838
公開日2009年8月12日 申請日期2009年2月5日 優先權日2008年2月5日
發明者林嘉亮 申請人:瑞昱半導體股份有限公司