專利名稱：具有低相位噪聲的壓控振蕩器的制作方法
技術領域：
本發明提供一種振蕩器，特別指一種能降低振蕩器內的相位噪聲并提高振蕩器信噪比的振蕩器電路結構。
背景技術：
高頻差動式壓控振蕩器(high frequency differential voltagecontrolled oscillator，VCO)已經被廣泛地應用于各種通信系統中，并可將此類壓控振蕩器運用于積體電路，更可達到通信系統輕、薄、短小的需求，而壓控振蕩器的優劣取決于其是否具有低相位噪聲(phase noise)與高信噪比(signal to noise ratio，SNR)。
請參考圖1，圖1為美國專利第6,064,277號中所公開的公知振蕩器10的電路圖。振蕩器10是利用一驅動電路(drive circuit)12來驅動一LC諧振回路(LC tank)11。LC諧振回路11包含一電感L與一電容C，用來產生正弦波(sinusoidal wave)。驅動電路12包含二無源元件Z1、Z2，無源元件Z1、Z2可為電感或電阻。無源元件Z1、Z2分別連到兩組晶體管Q1、Q2的基極，驅動電路12由一偏置電路14所驅動。一般說來，為了抑制振蕩信號對偏置電路的干擾效應(interference effect)，無源元件Z1、Z2通常具有較高阻抗。
然而，無源元件Z1、Z2并無法完全隔離該偏置電路所產生的噪聲，并且，電阻性的無源元件Z1、Z2的高阻抗特性本身產生熱噪聲(thermal noise)并引進振蕩器10中，并進而產生相位噪聲。因此，公知振蕩器10的相位噪聲會因Z1、Z2的高電阻特性而提高。
在上述公知振蕩器10電路中，一檢測電路13檢測出振蕩器10的振幅大小饋入具有積分特性的偏置電路14以輸出一與振幅大小相對應的控制電壓來調制驅動電路12的偏置點，進而達到最大的輸出振幅且不造成晶體管過度飽和。然而，由于偏置電路14輸出端噪聲可因偶次諧波經由晶體管Q1、Q2所放大，所以相對的噪聲電平(Noise Level)便提高了。此特點相對地劣化了振蕩器的相位噪聲。
發明內容
本發明的目的在于具有低相位噪聲與高信噪比的壓控振蕩器。本發明的另一目的在于提供一共模補償電路(common-mode compensationcircuit)，用來消除一LC諧振回路內共模節點上的共模噪聲。該共模補償電路是利用一對二極管來檢測其差動輸出端的共模信號，并通過一電壓轉電流的電路饋入該LC諧振回路的虛接地端(virtual ground)。如此可以補償該振蕩器內共模噪聲在該振蕩器的相位噪聲上的影響。同時，該對二極管亦可避免壓控振蕩器中的負阻發生器的晶體管過飽和。
該壓控振蕩器包含一可調制振蕩頻率的LC諧振回路、一電連接到該LC諧振回路的負阻發生器、一噪聲抑制回路，該回路其包含一T-型電阻偏置網路，該T形電阻電路偏置網路是用來降低該LC諧振回路產生的相位噪聲并進而提高該壓控振蕩器的信噪比。該壓控振蕩器還可利用一三角形電阻電路來取代先前的T形電阻電路。該三角形電阻電路包含二連接至基極偏置電路的第一電阻，用來偏置該負阻發生器的晶體管。該三角形電阻電路另包含一連接至該第一電阻的第二電阻，用來抑制正弦波發生器產生的相位噪聲。
圖1為公知振蕩器的電路圖。
圖2為本發明壓控振蕩器的電路圖。
圖3為圖2壓控振蕩器中振蕩電路的電路圖。
圖4為圖3振蕩電路中的T型電阻電路被換成三角形電阻電路的電路圖。
圖5為圖4振蕩電路中的三角形電阻電路的一變形電路圖示。
附圖符號說明10 振蕩器 11 LC諧振回路12 驅動電路 13 檢測電路14 偏置電路 20 壓控振蕩器22、40 振蕩電路 24 共模補償電路
26輸出緩沖器25、27 電流鏡28LC諧振回路30 噪聲抑制回路32負阻發生器34 T型電阻電路36三角形電阻電路具體實施方式
請參考圖2與圖3。圖2為本發明壓控振蕩器(voltage controloscillator，VCO)20的電路圖。圖3為壓控振蕩器20中振蕩電路(oscillator core)22的電路圖。振蕩電路22包含一可調制振蕩頻率的LC諧振回路(tunable-frequency LC tank)28與一負阻發生器(negativeresistance generator)32，負阻發生器32可為一用來放大LC諧振回路28所產生的正弦波的正反饋電路(positive feedback circuit)。負阻發生器32中的晶體管Q11、Q12的基極偏置是由一T-型電阻電路34所提供。
T型電阻電路34包含兩個第一電阻R2a、R2b及一個第二電阻R3。第一電阻R2a、R2b的一端是分別連接至雙極結型晶體管Q11、Q12的基極，如圖3中所標示的M、N兩點，而第一電阻R2a、R2b的另一端則同時連接至第二電阻R3的一端，如圖3中所標示的N1點，而第二電阻R3的另一端則連接至一直流偏置電壓(DC biasing voltage)Vbias，該直流偏置電壓Vbias是通過T型電阻電路34來驅動負阻發生器32。
除了振蕩電路22之外，壓控振蕩器20尚包含一電性連至可調制振蕩頻率的LC諧振回路28與負阻發生器32的共模補償電路(common-modecompensation circuit)24，共模補償電路24中的A、B兩點(如圖2、3所示)與負阻發生器32中的A、B兩點相連，且形成一反饋電路。共模補償電路24另包含兩個二極管D1、D2用來檢測偶次諧波(even-harmonics)，該偶次諧波是由壓控振蕩器20于其差動端所產生的正弦波所引起的。假定流經可調制振蕩頻率的LC諧振回路28的節點Y的電流上升，使得可調制振蕩頻率的LC諧振回路28產生的正弦波的振幅變大，同時亦會使得諧波放大，而二極管D1、D2所檢測偶次諧波的等效直流電壓值將會使得P型金屬氧化物半導體晶體管(metal oxide semiconductor transistor，MOStransistor)M2的柵極與漏極的電壓上升。如此一來，流經晶體管M2的漏極電流便減小。經由電流鏡(current mirror)27電路映像產生晶體管M1的漏極電流將被迫地減少，從而因這負補償效應使得節點Y的電流下降。于是節點Y的電流就會趨于穩定，使得節點Y的虛擬接地(virtual ground)特性更為顯著，此將進一步降低壓控振蕩器20的噪聲產生。再者，二極管D1、D2尚連接至另一金屬氧化物半導體晶體管M3的漏極，當雙極結型晶體管Q11、Q12集極的瞬間電壓低于該金屬氧化物半導體晶體管M3漏極的電壓達一預定值時，二極管D1、D2將會導通，所以雙極結型晶體管Q11、Q12集極的電壓將被箝制(clamp)在某一特定的電壓，從而防止雙極結型晶體管Q11、Q12發生過飽和現象。當晶體管Q11、Q12進入過飽和時，等效于可調制振蕩頻率的LC諧振回路28的Q值將劣化，于是乎壓控振蕩器20的相位噪聲將增加。
是后，壓控振蕩器20還包含一輸出緩沖器(output buffer)26用來降低壓控振蕩器20后端的輸出負載上的負載效應(loading effect)，輸出緩沖器26是經由A、B與負阻發生器32的A、B相連。輸出緩沖器的作用26是一電壓跟隨器(source follower)用來進一步隔離輸出負載。
T型電阻電路34為本發明的一項重要特征。與先前技術相同的部分為，本發明的T型電阻電路34是利用一高阻值的電阻來隔離直流偏置電壓Vbias所產生的噪聲，并同時防止壓控振蕩器20的振蕩信號干擾到直流偏置電壓Vbias，而第二電阻R3正是提供這高阻值的電阻。一般說來，第二電阻R3的阻值介于1,000歐姆與50,000歐姆之間。本發明中的第二電阻R3連接至直流偏置電壓Vbias，其作用正如公知振蕩器10中的二無源元件Z1、Z2一樣。
與公知振蕩器10不同的是本發明利用兩個相同且具有低阻值的第一電阻R2a、R2b，使得壓控振蕩器20具有較高的信噪比。藉著將兩個第一電阻R2a、R2b分別連接至第二電阻R3與負阻發生器32，使得節點N1形成一虛擬接地點(virtual ground)。考慮如公知振蕩器10中負阻發生器12包含兩組電容器C1和C3將振蕩器的輸出電壓按電容的反比值饋入晶體管Q1和Q2的基極端。由于R1、R2的高阻值特性使得基極端有較大的RC延遲時間。再加上晶體管Q1、Q2的非線性效應，所以容易在基極端產生失真的正弦波波形。換言之，差動式的輸入波形容易產生非對稱性的結果將導致振蕩器的相位噪聲的增加。本發明所提出的T型電阻電路34是由兩個低阻值的第一電阻R2a、R2b與一高阻值的第二電阻R3所組成。由于節點N1虛擬接地的特性，使得晶體管Q1、Q2基極端在分壓電容C12、C13的作用下具有較小的RC延遲時間。且由于第一電阻R2a、R2b的低電阻主要決定晶體管Q11、Q12的輸入阻抗，將使得晶體管的非線性效應降低，所以基極端的波型較不失真。于是乎振蕩器的相位噪聲得以改善。本實施例中，第一電阻R2a、R2b的阻值須介于10歐姆與100歐姆之間；然而，第二電阻R3的阻值卻可任意選擇，只要它能有效地隔離從直流偏置電壓Vbias與振蕩器彼此的干擾。
請參考圖4。圖4與圖3完全相同，只不過圖3振蕩電路22中的T型電阻電路換成了圖4振蕩電路40中的三角形電阻電路(Delta-shapedresistor configuration)。本領域技術人員都知道，基本上T型電阻電路34與三角形電阻電路的作用完全相同。圖4振蕩電路40中三角形電阻電路的第三電阻R4連接于節點M、N之間，兩個第四電阻R5a、R5b的一端均連接至直流偏置電壓Vbias，而兩個第四電阻R5a、R5b的另一端則分別連接至第三電阻R4的兩端，如圖中所標示的節點M、N。第三電阻R4具有低阻值，其作用和T型電阻電路34中的第一電阻R2a、R2b相似，都是用于提高壓控振蕩器20的信噪比。同樣地，第四電阻R5a、R5b也具有高阻值，其作用和T型電阻電路34中的第二電阻R3相似，也就是都用來隔離從直流偏置電壓Vbias傳來的噪聲。
圖5為圖4振蕩電路40中的三角形電阻電路的一變形。圖5中的電路與圖4中的電路完全相同，只不過圖5表示提供另一種第四電阻R5a、R5b與直流偏置電壓Vbias間的連接。
與公知的振蕩器相比較，本發明的壓控振蕩器20利用一T型電阻電路34中的兩個第一電阻R2來提高壓控振蕩器20的信噪比。藉著降低第一電阻R2的阻值(10歐姆～100歐姆)，可大幅地降低電阻本身的熱噪聲(thermal noise)及改善負阻發生器輸入端的波形失真，并進而使得本發明的壓控振蕩器20遠優于公知的壓控振蕩器10。又本發明的壓控振蕩器20提供一共模補償電路24可以降低可調制振蕩頻率的LC諧振回路28中虛擬接地節點Y的噪聲并同時防止負阻發生器32中晶體管進入過飽和的狀態，遂得以進一步改善壓控振蕩器的相位噪聲。
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做的等效變化與修改，皆應屬本發明的涵蓋范圍。
權利要求
1.一種壓控振蕩器，其包含一LC諧振回路；一負阻發生器，電連接到該LC諧振回路，用來產生可調制頻率的正弦波；以及一噪聲抑制回路，其包含一T形電阻電路，連接于該負阻發生器，用來提供偏置并可降低相位噪聲。
2.如權利要求1所述的壓控振蕩器，其另包含一共模補償電路，電連接到該負阻發生器，用來進一步降低相位噪聲。
3.如權利要求2所述的壓控振蕩器，其另包含一電流鏡電路，用來將該共模補償電路所檢測到的信號轉換成電流映射至該LC諧振回路。
4.如權利要求1所述的壓控振蕩器，其另包含一輸出緩沖器，電連接到該負阻發生器，用來降低一負載的負載效應。
5.如權利要求4所述的壓控振蕩器，其中該輸出緩沖器是一源極跟隨器或一射極跟隨器。
6.如權利要求1所述的壓控振蕩器，其中該負阻發生器包含一差動晶體管對，電連接到該LC諧振回路，用來產生正弦波。
7.如權利要求6所述的壓控振蕩器，其中該T型電阻電路會提供一直流偏置電壓給該負阻發生器的該差動晶體管對。
8.如權利要求7所述的壓控振蕩器，其中該差動晶體管對為兩組雙極結型晶體管。
9.如權利要求7所述的壓控振蕩器，其中該T型電阻電路包含二第一電阻及一第二電阻，每一第一電阻是連接于該二雙極結型晶體管中的一雙極結型晶體管的基極，該第二電阻是連接于該二第一電阻，并用來接收該直流偏置電壓。
10.如權利要求9所述的壓控振蕩器，其中各個第一電阻的阻值是在10到100歐姆之間，該第二電阻的阻值是在1000到50,000歐姆之間。
11.一種壓控振蕩器，其包含一LC諧振回路；一負阻發生器，電連接到該可調制振蕩頻率的LC諧振回路，用來產生可調制頻率的正弦波；以及一噪聲抑制回路，其包含一三角形電阻電路，該三角形電阻電路具有一第一電阻，連接于該負阻發生器的晶體管對的基極端，以及二第二電阻，分別連接于晶體管對的基極端與直流偏置電壓電源，用來提供偏置并可降低振蕩器產生相位噪聲。
12.如權利要求11所述的壓控振蕩器，其另包含一共模補償電路，電連接到該正反饋電路，用來進一步降低該振蕩器產生的相位噪聲。
13.如權利要求12所述的壓控振蕩器，其另包含一電流鏡電路，用來將該共模補償電路所檢測的信號轉換成電流映射至該LC諧振回路。
14.如權利要求11所述的壓控振蕩器，其另包含一輸出緩沖器，電連接到該負阻發生器，用來降低一負載的負載效應)。
15.如權利要求14所述的壓控振蕩器，其中該輸出緩沖器是一源極跟隨器或一射極跟隨器。
16.如權利要求11所述的壓控振蕩器，其中該負阻發生器包含一差動晶體管對，電連接到該LC諧振回路，用來產生正弦波。
17.如權利要求16所述的壓控振蕩器，其中該差動晶體管對包含二雙極結型晶體管。
18.如權利要求17所述的壓控振蕩器，其中該第一電阻是連接于該二雙極結型晶體管的基極。
19.如權利要求11所述的壓控振蕩器，其中該第一電阻的阻值是在10到100歐姆之間，各個第二電阻的阻值是在1000到50,000歐姆之間。
20.一種壓控振蕩器，其包含一可調制振蕩頻率的LC諧振回路，用來調制振蕩器所產生的正弦波的頻率；二雙極結型晶體管，電連接于該可調制振蕩頻率的LC諧振回路，用來維持振蕩信號；二電容分壓器，用來降低該正弦波的振幅并饋入上述雙極結型晶體管的基極端以形成一負阻發生器；二第一電阻，每一第一電阻是連接于該二雙極結型晶體管中的一雙極結型晶體管的基極，用來降低該正弦波發生器產生的相位噪聲；一第二電阻，連接于該二第一電阻，并用來接收一直流偏置電壓；一共模補償電路，電連接于該二雙極結型晶體管的集極，用來進一步降低該正弦波發生器產生的相位噪聲；一電流鏡電路，用來將該共模補償電路檢測的信號轉換成電流映射至該振蕩器；以及一源極跟隨器，電連接于該二雙極結型晶體管的集極，用來降低輸出負載的負載效應。
全文摘要
本發明提供一種具有低相位噪聲的壓控振蕩器。該壓控振蕩器包含一LC諧振回路、一負阻產生電路、及一噪聲抑制回路，該噪聲抑制回路包括一T型(或三角型)基極偏置電阻電路，該噪聲抑制回路是用來降低該壓控振蕩器的噪聲并進而改善該壓控振蕩器的相位噪聲特性。
文檔編號H03B5/12GK1450717SQ0215486
公開日2003年10月22日 申請日期2002年12月3日 優先權日2002年4月10日
發明者黃尊禧 申請人:絡達科技股份有限公司