專(zhuān)利名稱(chēng)：壓控震蕩器的相關(guān)方法與技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓控震蕩器及相關(guān)的方法/技術(shù)，特別是涉及一種考慮到組件特性漂移的相互補(bǔ)償而能達(dá)到較佳壓控頻率特性的壓控震蕩器及相關(guān)方法/技術(shù)。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代化的信息社會(huì)中，各種知識(shí)、信息、文件、數(shù)據(jù)與影音文件都能以電子訊號(hào)的方式來(lái)快速地傳輸、處理、管理、儲(chǔ)存，故各種與電子訊號(hào)相關(guān)的電子電路也就成為現(xiàn)代信息社會(huì)最重要的硬件基礎(chǔ)之一。
如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所知，在各種有線(xiàn)/無(wú)線(xiàn)通訊電路、訊號(hào)處理電路乃至于各種時(shí)鐘控制的序向電路/處理器中，鎖相電路(Phase-locked loop)都是必需的構(gòu)筑方塊之一。而在鎖相電路中，壓控震蕩器則是鎖相最重要的關(guān)鍵之一。因此，要如何實(shí)現(xiàn)出具有更佳特性、運(yùn)作更穩(wěn)定的壓控震蕩器，也就成為現(xiàn)代信息廠(chǎng)商的研發(fā)重點(diǎn)之一。
壓控震蕩器的功能是根據(jù)一控制電壓提供一對(duì)應(yīng)頻率的震蕩訊號(hào)(或時(shí)鐘)，并使震蕩訊號(hào)的頻率高低對(duì)應(yīng)于控制電壓的大小。設(shè)計(jì)不良、不穩(wěn)定的壓控震蕩器常會(huì)導(dǎo)致震蕩訊號(hào)中出現(xiàn)抖動(dòng)(jitter，也就是訊號(hào)變化的周期不穩(wěn)定，會(huì)忽長(zhǎng)忽短)。而要實(shí)現(xiàn)出一個(gè)較佳、抖動(dòng)現(xiàn)象較少的壓控震蕩器，則需考慮下列數(shù)種因素。首先，若控制電壓與震蕩訊號(hào)頻率間的關(guān)系較為線(xiàn)性，則較能減抑抖動(dòng)現(xiàn)象。另外，若壓控頻率增益(也就是在壓控頻率特性中以控制電壓為橫軸、以對(duì)應(yīng)的頻率為縱軸而計(jì)算出來(lái)的斜率，其單位因次為頻率/電壓)較小，也能減少壓控震蕩器運(yùn)作期間的噪聲影響，進(jìn)而減低抖動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生。
不過(guò)，較小的壓控頻率增益也意味著了較小的頻率變化范圍。換句話(huà)說(shuō)，即使控制電壓有較大的改變，震蕩訊號(hào)的頻率也不會(huì)有大幅的改變，其頻率改變的幅度會(huì)因?yàn)檩^小的壓控頻率增益而受限。而較小的壓控頻率范圍，就會(huì)使壓控震蕩器的運(yùn)作對(duì)于組件特性漂移更為敏感。
壓控震蕩器是以半導(dǎo)體的電子組件來(lái)組合實(shí)現(xiàn)。但如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所知，由于半導(dǎo)體制造工藝的工藝參數(shù)不易維持穩(wěn)定，即使利用同一種工藝，在不同批次中制造出來(lái)的同種電子組件，其電氣特性皆會(huì)有所漂移而與原始的設(shè)計(jì)值有所差異。甚至，由于半導(dǎo)體工藝的運(yùn)作不均勻，即使在同一晶片上，于不同位置上的同種電子組件也都會(huì)因組件特性漂移而互有特性上的差異。除了工藝因素外，當(dāng)制作完成的電子組件被實(shí)際運(yùn)用時(shí)，電子組件運(yùn)作環(huán)境的溫度同樣也會(huì)造成組件的電氣特性漂移。以上這些因素所造成的特性漂移都會(huì)使電子組件的電氣特性偏離原設(shè)計(jì)值；譬如說(shuō)，某一電阻的阻值應(yīng)為R0，但因工藝變異造成的特性漂移，實(shí)際制造出來(lái)的阻值可能會(huì)漂移至1.1*R0或是0.8*R0。同理，某一金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的閾值電壓(threshold voltage)設(shè)計(jì)值本來(lái)應(yīng)為Vth，但因運(yùn)作溫度的改變，其閾值電壓可能就會(huì)漂移為1.2*Vth或是0.9*Vth。
在已知設(shè)計(jì)的壓控震蕩器中，當(dāng)已知壓控震蕩器中的各組件發(fā)生組件特性漂移時(shí)，其壓控頻率特性也會(huì)隨之發(fā)生大幅的變動(dòng)；由于壓控震蕩器的壓控頻率范圍本來(lái)就不大，一旦壓控頻率特性發(fā)生大幅的變動(dòng)，變動(dòng)后的壓控頻率范圍常會(huì)大幅逸出原先設(shè)計(jì)的壓控頻率范圍。這就表示，組件特性漂移后的壓控震蕩器將無(wú)法震蕩出原先設(shè)計(jì)的頻率，導(dǎo)致其運(yùn)作失常，也容易引入抖動(dòng)現(xiàn)象。舉例來(lái)說(shuō)，若某一已知壓控震蕩器原本的壓控頻率范圍應(yīng)為400MHz至550MHz(MHz為一百萬(wàn)赫茲)，但組件特性漂移的壓控震蕩器，其壓控頻率范圍卻變動(dòng)漂移至470MHz至670MHz，這就代表了，發(fā)生組件特性漂移的壓控震蕩器將無(wú)法震蕩出400MHz至470MHz的頻率，這會(huì)導(dǎo)致壓控震蕩器無(wú)法發(fā)揮原先預(yù)期的效果，使其頻率不穩(wěn)定，容易發(fā)生抖動(dòng)現(xiàn)象，甚至使鎖相電路鎖相失敗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種具有較佳壓控頻率特性的壓控震蕩器及相關(guān)技術(shù)，其可補(bǔ)償組件間的組件特性漂移，使其壓控頻率特性不會(huì)隨組件特性漂移而發(fā)生大幅度的變動(dòng)，進(jìn)而克服已知技術(shù)的缺點(diǎn)，增進(jìn)壓控震蕩器的穩(wěn)定性并減少抖動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生。
本發(fā)明壓控震蕩器中設(shè)有一轉(zhuǎn)換電路，一復(fù)制偏壓電路及一環(huán)式震蕩器。在本發(fā)明的轉(zhuǎn)換電路中，采用了兩個(gè)具有源極電阻的金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，以源極退化配置來(lái)將控制電壓線(xiàn)性地轉(zhuǎn)換為控制電流，并配合電流相減架構(gòu)，以便在控制電壓至控制電流的轉(zhuǎn)換關(guān)系中，能夠盡量排除金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管閾值電壓的組件特性漂移因素，使控制電壓至控制電流的轉(zhuǎn)換關(guān)系主要受控于源極電阻的阻值。
本發(fā)明的復(fù)制偏壓電路則以一二極管形式連接的金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管來(lái)當(dāng)作負(fù)載單元，定值參考電流流經(jīng)此負(fù)載單元后可建立一負(fù)載電壓，復(fù)制偏壓電路根據(jù)直流偏壓電壓與此負(fù)載電壓間的電壓差異，即可提供一擺幅電壓。在壓控震蕩器所產(chǎn)生的震蕩訊號(hào)/時(shí)鐘中，擺幅電壓即定義了此震蕩訊號(hào)的擺動(dòng)幅度，也就是震蕩訊號(hào)中高低電平間的電平差。由于本發(fā)明的電路配置，擺幅電壓主要受控于負(fù)載單元的電氣特性，也就是負(fù)載單元中金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的閾值電壓。
本發(fā)明的環(huán)式震蕩器則以多個(gè)延遲器環(huán)式串接而成。各個(gè)延遲器中可包含有兩個(gè)反相器，各反相器具有一輸入端及一輸出端，同一延遲器中的兩個(gè)反相器由其輸入端分別接受前一延遲器的的反相輸出，以從輸出端輸出兩反相輸出訊號(hào)至次一延遲器。當(dāng)一反相器的輸入端訊號(hào)轉(zhuǎn)變電平時(shí)，該反相器可驅(qū)動(dòng)而將輸出訊號(hào)的電平反相轉(zhuǎn)變；各反相器用來(lái)驅(qū)動(dòng)電平轉(zhuǎn)變的電流即由控制電流來(lái)主控。另外，本發(fā)明延遲器中還增設(shè)了兩個(gè)負(fù)阻單元，各負(fù)阻單元對(duì)應(yīng)于一反相器，并由另一反相器的輸出端訊號(hào)來(lái)控制各負(fù)阻單元的導(dǎo)通與否。當(dāng)某一反相器導(dǎo)通電流而要將其輸出端訊號(hào)的電壓電平拉低時(shí)，該反相器對(duì)應(yīng)的負(fù)阻單元也會(huì)隨之導(dǎo)通，協(xié)助使輸出端的訊號(hào)能充分的轉(zhuǎn)變，使其轉(zhuǎn)變程度能符合擺幅電壓。綜合電平轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)電流(即控制電流)及轉(zhuǎn)變程度(即擺幅電壓)可知，當(dāng)各反相器響應(yīng)輸入端的訊號(hào)改變而要改變輸出端的訊號(hào)電平時(shí)，會(huì)有一段延遲時(shí)間，此延遲時(shí)間即取決于控制電流與擺幅電壓。環(huán)式串連各延遲器的延遲時(shí)間，也就決定了環(huán)式震蕩器中震蕩訊號(hào)的周期與頻率，使頻率正比于控制電流，反比于擺幅電壓。經(jīng)由控制電壓至控制電流間主控于源極電阻的線(xiàn)性轉(zhuǎn)換關(guān)系，壓控震蕩器的震蕩頻率即和控制電壓間有線(xiàn)性關(guān)系，而此線(xiàn)性關(guān)系(即壓控頻率特性)則主要受控于源極電阻的阻值與擺幅電壓兩者的乘積(源極電阻即前述轉(zhuǎn)換電路中提到的源極電阻)。
當(dāng)本發(fā)明壓控震蕩器中的各組件發(fā)生組件特性漂移時(shí)，由于本發(fā)明壓控震蕩器中的上述配置，各組件間的組件特性漂移將可以互相補(bǔ)償，并使頻率與控制電壓間的壓控頻率特性能夠較佳地地抗組件特性漂移的影響。而此互相補(bǔ)償?shù)脑砜烧f(shuō)明如下。當(dāng)源極電阻的阻值因組件特性漂移而改變時(shí)，負(fù)載單元的特性也會(huì)隨之漂移，使擺幅電壓會(huì)隨相反的趨勢(shì)漂移。既然頻率與控制電壓的線(xiàn)性關(guān)系受控于源極電阻與擺幅電壓的乘積，而在發(fā)生組件特性漂移時(shí)兩者發(fā)生又會(huì)呈相反趨勢(shì)的改變，故兩者的乘積能夠因相互補(bǔ)償而不致大幅變動(dòng)，這也使得控制電壓與頻率間的壓控頻率特性能夠維持穩(wěn)定。舉例來(lái)說(shuō)，在某些工藝變異下，會(huì)使源極電阻的阻值漂移而變大，同時(shí)也會(huì)使金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)能力變小。因此，在復(fù)制偏壓電路中，負(fù)載單元的負(fù)載電壓也會(huì)增加，因?yàn)樨?fù)載單元的導(dǎo)通電流受控于定值電流，故其跨壓(也就是負(fù)載電壓)勢(shì)必要增加以適應(yīng)變小的導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)能力。由于擺幅電壓為偏壓電壓與負(fù)載電壓間的電壓差，故擺幅電壓會(huì)隨負(fù)載電壓增加而減少。換句話(huà)說(shuō)，當(dāng)源極電阻的阻值漂移增高，擺幅電壓則會(huì)隨相反趨勢(shì)而漂移降低，故兩者間可相互補(bǔ)償，使得控制電壓與頻率間的壓控頻率特性能夠大幅地排除組件特性漂移的因素；即使組件發(fā)生了組件特性漂移，壓控頻率特性還是不會(huì)大幅變動(dòng)。這樣一來(lái)，就能實(shí)現(xiàn)出較佳的壓控頻率特性，減少訊號(hào)抖動(dòng)現(xiàn)象，并增加壓控震蕩的穩(wěn)定度。


圖1為一典型壓控震蕩器的功能方塊示意圖。
圖2為圖1壓控震蕩器的電路架構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明壓控震蕩器的功能方塊示意圖。
圖4、圖5為圖3中各相關(guān)電路的電路架構(gòu)示意圖。
圖6比較了圖1與圖3中壓控震蕩器在不同組件漂移的情形下所實(shí)現(xiàn)出來(lái)的壓控頻率特性。
圖7為圖3中壓控震蕩器運(yùn)用于一鎖相電路中的示意圖。
附圖符號(hào)說(shuō)明10、30 壓控震蕩器12、32 轉(zhuǎn)換電路14、34 復(fù)制偏壓電路16、36 環(huán)式震蕩器
18、38 電流鏡 20、40、46 電流源22、42 電壓源 6A-6B 圖表Rp、R 電阻Vdd、Vg 偏壓電壓ip+、ip-、ip(n)+、ip(n)-輸入端op+、op-、op(n)+、op(n)-輸出端Ictrl 控制電流A1、A 放大器Vsw 擺幅電壓Dp、D、D(n)、Dp(n) 延遲器Vctr 控制電壓P0、P、Ps、Pd 節(jié)點(diǎn)Vc 電壓Ifb、Ivic、Ic sb、Id、Iext、Ic 電流Q1-Q3、Q6-Q9、Qm、Qa-Qa’、Qb-Qb’、M1-M3、Md、Mdio、M6-M9、Ma-Ma’、Mb-Mb’、Mm、Mnr、Mnr’ 晶體管具體實(shí)施方式
請(qǐng)參考圖1；圖1為一典型壓控震蕩器10的功能方塊示意圖。壓控震蕩器10用來(lái)根據(jù)一控制電壓Vctrl來(lái)提供一震蕩訊號(hào)(或時(shí)鐘)，使震蕩訊號(hào)的頻率高低對(duì)應(yīng)于控制電壓Vctrl的電壓大小。壓控震蕩器10中設(shè)有一轉(zhuǎn)換電路12、一復(fù)制偏壓電路14及一環(huán)式震蕩器16。環(huán)式震蕩器16中則另設(shè)有復(fù)數(shù)個(gè)環(huán)式連接的延遲器Dp(圖1中以四個(gè)延遲器做為代表)。在圖1的例子中，各延遲器Dp設(shè)有差動(dòng)輸入端ip+與ip-分別用來(lái)接收互為反相的兩個(gè)輸入訊號(hào)，并設(shè)有兩個(gè)輸出端op-與op+來(lái)分別輸出兩個(gè)互為反相的輸出訊號(hào)。
在壓控震蕩器10中，轉(zhuǎn)換電路12用來(lái)將控制電壓Vctrl轉(zhuǎn)換為一對(duì)應(yīng)的控制電流Ictrl，此控制電流Ictrl會(huì)傳輸至復(fù)制偏壓電路14及各個(gè)延遲器Dp。復(fù)制偏壓電路14即可根據(jù)控制電流Ictrl及一擺幅電壓來(lái)調(diào)控各延遲器Dp的運(yùn)作偏壓。各延遲器Dp的運(yùn)作情形則為當(dāng)其輸入端ip+的訊號(hào)發(fā)生電平轉(zhuǎn)變時(shí)，延遲器Dp可在一段延遲時(shí)間使其對(duì)應(yīng)輸出端op-的訊號(hào)轉(zhuǎn)換電平；同理，當(dāng)輸入端ip-的訊號(hào)發(fā)生電平轉(zhuǎn)變時(shí)，延遲器Dp也會(huì)使對(duì)應(yīng)輸出端op+的訊號(hào)在延遲時(shí)間后發(fā)生電平轉(zhuǎn)變。而復(fù)制偏壓電路14對(duì)各延遲器Dp的偏壓調(diào)控即可調(diào)整此一延遲時(shí)間的長(zhǎng)短，使延遲時(shí)間由擺幅電壓與控制電流Ictrl的大小來(lái)主控。
請(qǐng)參考圖2(與圖1)；圖2即為典型壓控震蕩器10的電路配置示意圖。圖2中顯示了典型技術(shù)中轉(zhuǎn)換電路12與復(fù)制偏壓電路14的電路設(shè)計(jì)，并以一延遲器Dp(n)(即第n個(gè)延遲器Dp)來(lái)代表環(huán)式震蕩器16(圖1)中各延遲器與轉(zhuǎn)換電路12、復(fù)制偏壓電路14的電連情形；各電路偏壓于偏壓電壓Vdd與偏壓電壓Vg(接地電壓)之間。如圖2所示，典型技術(shù)下的轉(zhuǎn)換電路12設(shè)有一個(gè)p型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管Q1，并在其源極搭配一電阻Rp而架構(gòu)出源極退化的電路配置；晶體管Q1的柵極則受控于偏壓電壓Vdd與控制電壓Vctrl之差(Vdd-Vctrl)。由于晶體管Q1的源極退化配置，晶體管Q1導(dǎo)通的電流Ivic可表示為(Vctrl-|Vth_Q1|)/Rp，其中Vth_Q1為晶體管Q1的閾值電壓(threshold voltage)。兩匹配的p型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管Q2、Q3則形成一電流鏡，用來(lái)將一定電流源(constant current source)20所提供的電流Ifb鏡射至晶體管Q2，使電流Ifb與Ivic合流為控制電流Ictrl。也因此，控制電流Ictrl可表為Ictrl＝Ifb+(Vctrl-|Vth_Q1|)/Rp，而此等式就代表了控制電壓Vctrl至控制電流Ictrl間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。這樣一來(lái)，轉(zhuǎn)換電路10也就可將控制電壓Vctrl轉(zhuǎn)換為控制電流Ictrl。請(qǐng)注意，在此典型的轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)中，此Vctrl至Ictrl的轉(zhuǎn)換關(guān)系與電阻Rp有關(guān)(故電阻Rp可視為一參考阻抗)，也和晶體管Q1的閾值電壓Vth_Q1有關(guān)?？刂齐娏鱅ctrl可經(jīng)由一電流鏡18鏡射，并傳輸至復(fù)制偏壓電路14。
如圖2所示，在典型技術(shù)下，延遲器Dp(n)是以p型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管Qb搭配一n型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管Qa來(lái)形成一反相器，n型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管Qa’與p型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管Qb’則用來(lái)形成另一反相器。晶體管Qa、Qa’互相匹配，其柵極分別做為各反相器的輸入端ip(n)+與ip(n)-。晶體管Qb、Qb’互為匹配的晶體管，其漏極則分別做為輸出端op(n)-與op(n)+。晶體管Qa、Oa’互相電連的源極則可視為兩反相器的電流端，使兩反相器于此電流端共同電連于一n型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管Qm。
在圖2中的典型復(fù)制偏壓電路14，則是以一定電壓源22(譬如說(shuō)是由一帶隙電路-bandgap circuit-所架構(gòu)的)來(lái)提供一定值的擺幅電壓Vsw，此電壓Vsw即為擺幅電壓。搭配各延遲器中的p型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，復(fù)制偏壓電路14中的p型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管Q6與各延遲器中的晶體管Qb、Qb’互相匹配，而這些晶體管的柵極偏壓則統(tǒng)一受控于復(fù)制偏壓電路14中的放大器A1(放大器A1可以是一高增益的差動(dòng)放大器)。搭配各延遲器中的晶體管Qm，復(fù)制偏壓電路中也設(shè)有一對(duì)n型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管Q8、Q9，這兩個(gè)晶體管Q8、Q9和各延遲器中的晶體管Qm互為匹配的晶體管，使晶體管Q8、Q9及各延遲器中的晶體管Qm能和復(fù)制偏壓電路14中的另一n型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管Q7架構(gòu)形成一電流鏡；此一電流鏡可將轉(zhuǎn)換電路12提供的控制電流Ictrl鏡射至晶體管Q9以及各延遲器中的晶體管Qm，而各延遲器Dp中的晶體管Qm也就可視為此一電流鏡中的一個(gè)電流鏡單元。
經(jīng)由晶體管Q7的導(dǎo)通，晶體管Q6也會(huì)導(dǎo)通控制電流Ictrl。放大器A1則可根據(jù)節(jié)點(diǎn)P0的電壓(圖中未顯示)與電壓(Vdd-V sw)來(lái)回饋調(diào)控晶體管Q6的柵極偏壓，使晶體管Q6可在導(dǎo)通電流Ictrl的情況下將節(jié)點(diǎn)P0的電壓維持于電壓(Vdd-Vsw)。也就是說(shuō)，放大器A1的柵極偏壓調(diào)控，可使晶體管Q6在導(dǎo)通電流Ictrl的情況下將其源極、漏極間跨壓維持于擺幅電壓Vsw。
綜合復(fù)制偏壓電路14對(duì)晶體管Qb、Qb’的柵極偏壓調(diào)控，以及對(duì)晶體管Qm的導(dǎo)通電流調(diào)控，延遲器Dp運(yùn)作的情形即可描述如下。假設(shè)延遲器Dp(n)由輸入端ip(n)+接收的訊號(hào)開(kāi)始由低電平反相轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖剑瑫r(shí)其輸入端ip(n)-的訊號(hào)開(kāi)始由高電平反相轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖?。?dāng)輸入端ip(n)+的訊號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，晶體管Qa開(kāi)始導(dǎo)通，同時(shí)晶體管Qa’則因輸入端ip(n)-轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖蕉P(guān)閉不導(dǎo)通。藉由晶體管Qa的導(dǎo)通，晶體管Qm鏡射的電流Ictrl會(huì)導(dǎo)通于晶體管Qb與Qa上，而復(fù)制偏壓電路對(duì)晶體管Qb的柵極偏壓調(diào)控就會(huì)使輸出端op(n)-的電壓電平下降至電壓(Vdd-Vsw)，也就是節(jié)點(diǎn)P0的電壓電平。換句話(huà)說(shuō)，電壓(Vdd-Vsw)就定義了輸出訊號(hào)的低電平，反之，電壓Vdd就定義了輸出訊號(hào)的高電平。等效上來(lái)說(shuō)，晶體管Qa、Qb導(dǎo)通了電流Ictrl來(lái)對(duì)輸出端op(n)-上的等效電容放電(此等效電容包括了與此輸出端電連的各晶體管的寄生電容等等)，使其電壓電平下降電壓Vsw以觸發(fā)輸出端op(n)-的訊號(hào)反相轉(zhuǎn)變；而這也就定義了延遲器Dp(n)所能引入的延遲時(shí)間，使延遲時(shí)間大致上正比于電流Ictrl而反比于擺幅電壓Vsw。同理，在輸出端op(n)-的訊號(hào)電平由高電平下降至節(jié)點(diǎn)P0的電平的同一期間，晶體管Qb’所導(dǎo)通的電流則會(huì)對(duì)輸出端op(n)+上的等效電容充電，使輸出端op(n)+的電壓由低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖健?br> 在環(huán)式震蕩器16中沿環(huán)式回路反復(fù)地使各延遲器依序轉(zhuǎn)換電平，就能在各延遲器的輸出端形成震蕩訊號(hào)(或時(shí)鐘)。總和環(huán)式震蕩器16(圖1)中的各個(gè)延遲器所能引入的延遲時(shí)間，就能計(jì)算出此環(huán)式震蕩器所能震蕩出的頻率，其震蕩頻率f可表示為f＝Ictrl/(N*Ceff*Vsw)；其中，N為環(huán)式震蕩器中延遲器的個(gè)數(shù)(像在圖1例子即為N＝4)，Vsw為復(fù)制偏壓電路14提供的擺幅電壓(圖2)，Ceff則是各延遲器于各輸出端的等效電容值。再根據(jù)轉(zhuǎn)換電路12所定義的Vctrl至Ictrl轉(zhuǎn)換關(guān)系Ictrl＝(Vctrl-|Vth_Q1|+Rp*Ifb)/Rp，震蕩頻率f就可表示為f＝(Vctrl-|Vth_Q1|+Rp*Ifb)/(N*Ceff*R*Vsw)，而這也就是典型壓控震蕩器10所建立出來(lái)的壓控頻率特性；其中，Rp為轉(zhuǎn)換電路12中的源極電阻值(圖2)，Vth_Q1則為晶體管Q1的閾值電壓。
由上述的討論可看出，典型壓控震蕩器10所建立的壓控頻率特性較容易隨組件特性漂移而變動(dòng)。雖然電容值Ceff是一個(gè)比較不容易發(fā)生漂移的值，但壓控頻率特性中所依賴(lài)的其它組件特性，像是晶體管Q1的閾值電壓Vth_Q1、電阻Rp的電阻值等等，這些數(shù)值都會(huì)受組件特性漂移而改變，導(dǎo)致整個(gè)壓控頻率特性也容易隨之漂移，大幅地偏移出原先設(shè)計(jì)的壓控頻率特性。此外，如前面討論過(guò)的，當(dāng)延遲器Dp(n)中有一輸入端的訊號(hào)要由低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，該輸入端對(duì)應(yīng)的晶體管(即晶體管Qa或Qa’)會(huì)導(dǎo)通而驅(qū)動(dòng)其對(duì)應(yīng)輸出端的電壓下降。但在典型的延遲器設(shè)計(jì)中，此一驅(qū)動(dòng)用晶體管(Qa或Qa’)常會(huì)因驅(qū)動(dòng)力不足而無(wú)法將其對(duì)應(yīng)輸出端的電平充分地拉低，也就是說(shuō)，其驅(qū)動(dòng)力無(wú)法快速地使輸出端所降低的電平完全符合擺幅電壓Vsw。由于上述壓控頻率特性的推導(dǎo)基礎(chǔ)的一是「輸出端電平改變相當(dāng)于擺幅電壓Vsw 」，但若驅(qū)動(dòng)晶體管無(wú)法驅(qū)動(dòng)充分的電平改變，其實(shí)際實(shí)現(xiàn)出來(lái)的壓控頻率特性也將無(wú)法符合原先的設(shè)計(jì)。當(dāng)壓控震蕩器要用來(lái)震蕩出高頻震蕩訊號(hào)時(shí)，驅(qū)動(dòng)力不足的情形會(huì)更嚴(yán)重。
為了改善典型壓控震蕩器的上述缺點(diǎn)，本發(fā)明提出了具有較佳電路架構(gòu)的壓控震蕩器設(shè)計(jì)，以使組件間的特性漂移能相互補(bǔ)償，減少組件特性漂移對(duì)壓控頻率特性的影響。請(qǐng)參考圖3；圖3即為本發(fā)明壓控震蕩器30的功能方塊示意圖。本發(fā)明壓控震蕩器30用來(lái)根據(jù)一控制電壓Vctrl提供一具有對(duì)應(yīng)頻率的震蕩訊號(hào)，使震蕩訊號(hào)的頻率高低對(duì)應(yīng)于控制電壓Vctrl的電壓電平大小。如圖3所示，本發(fā)明壓控震蕩器30中設(shè)有一個(gè)具有電流相減架構(gòu)的線(xiàn)性轉(zhuǎn)換電路32、一個(gè)可補(bǔ)償組件特性漂移的復(fù)制電壓電路34及一具有增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)力的環(huán)式震蕩器36。轉(zhuǎn)換電路32用來(lái)將控制電壓Vctrl線(xiàn)性地轉(zhuǎn)換為一對(duì)應(yīng)的控制電流Ictrl；復(fù)制偏壓電路34則能根據(jù)控制電流Ictrl及一擺幅電壓來(lái)調(diào)控環(huán)式震蕩器36的偏壓。環(huán)式震蕩器36中有復(fù)數(shù)個(gè)延遲器D(圖3中以四個(gè)做為代表)，各個(gè)延遲器D可具有一對(duì)差動(dòng)輸入端ip+、ip-，分別對(duì)應(yīng)于兩差動(dòng)輸出端op-、op+；當(dāng)一輸入端的訊號(hào)電平(像是電壓電平)轉(zhuǎn)變時(shí)，延遲器D就可在延遲一段延遲時(shí)間后使其對(duì)應(yīng)輸出端的訊號(hào)轉(zhuǎn)變電平。而復(fù)制偏壓電路34對(duì)環(huán)式震蕩器36的偏壓調(diào)控也就決定了此延遲時(shí)間的長(zhǎng)短。經(jīng)由環(huán)式震蕩回路在復(fù)數(shù)個(gè)延遲器間的循環(huán)觸發(fā)，任一延遲器D的任一輸出端訊號(hào)就會(huì)周期性震蕩而可作為壓控震蕩器30所提供的震蕩訊號(hào)。
延續(xù)圖3的實(shí)施例，請(qǐng)繼續(xù)參考圖4及圖5；圖4、圖5進(jìn)一步披露了本發(fā)明中各電路的電路架構(gòu)。其中，圖4顯示的是轉(zhuǎn)換電路32的電路架構(gòu)，圖5則以一延遲器D(n)做為代表來(lái)示意本發(fā)明中復(fù)制偏壓電路34及各延遲器D的電路架構(gòu)及相互電連的情形；圖4及圖5的各電路偏壓于直流偏壓電壓Vdd及Vg(像是接地電壓)之間。首先，如圖4所示，本發(fā)明的轉(zhuǎn)換電路32中采用了兩個(gè)p型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管M1及Md，這兩個(gè)晶體管搭配了兩個(gè)互相匹配的源極電阻R(可視為參考電阻)而分別形成兩個(gè)源極退化配置的源極退化裝置?？刂齐妷篤ctrl由晶體管M1的柵極饋入，而源極電阻R的源極退化配置，會(huì)使晶體管M1導(dǎo)通的電流Ivic相當(dāng)于(Vctrl-|Vth_M1|)/R；其中Vth_M1即為晶體管M1的閾值電壓。在另一晶體管Md處，則以一定電壓源42(可用帶隙電路這種可抵抗組件特性漂移的電路來(lái)實(shí)現(xiàn))來(lái)提供一定值電壓Vc；經(jīng)由晶體管Md的源極退化配置，晶體管Md導(dǎo)通的電流Id則可表示為(Vc-|Vth_Md|)/R；Vth_Md即為晶體管Md的閾值電壓。經(jīng)由適當(dāng)?shù)木w管布局設(shè)計(jì)，可使晶體管M1的閾值電壓Vth_M1相等于晶體管Md的閾值電壓Vth_Md。
晶體管Md導(dǎo)通的電流Id會(huì)傳輸至節(jié)點(diǎn)Ps。在節(jié)點(diǎn)Ps，還電連有一定電流源40，其可根據(jù)電壓Vc而提供一電流Ic，使電流Ic的值相當(dāng)于2*Vc/R(R即源極電阻的阻值)。由于電流源Ic限制了節(jié)點(diǎn)Ps處的電流，故節(jié)點(diǎn)Ps于另一分支上的電流Icsb就等于(Ic-Id)，這也就是電流相減架構(gòu)的功用。由于電流Ic與電壓Vc間的關(guān)系，故電流Icsb可表示為Icsb＝2*Vc/R-(Vc-|Vth_Md|)/R＝(Vc+|Vth_Md|)/R。另一方面，匹配的兩p型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管M2、M3則形成電流鏡，將晶體管M3上的電流Icsb鏡射至晶體管M2；而此電流Iebs就會(huì)和晶體管M1的電流Ivic合流以形成控制電流Ictrl。也因此，控制電流Ictrl可表示為Ictrl＝Ivic+Icsb＝(Vctrl-|Vth_M1)/R+(Vc+|Vth_Md)/R＝(Vctrl+Vc)/R；這也就是轉(zhuǎn)換電路32在控制電壓與控制電流間所建立的線(xiàn)性轉(zhuǎn)換關(guān)系，使控制電壓Vctrl可經(jīng)由此轉(zhuǎn)換關(guān)系而被線(xiàn)性地轉(zhuǎn)換為控制電流Ictrl。和圖2中的典型轉(zhuǎn)換電路12比較可知，本發(fā)明所采用的轉(zhuǎn)換電路32可以將晶體管的閾值電壓排除于Vctrl-Ictrl轉(zhuǎn)換關(guān)系之外，使控制電壓至控制電流間的轉(zhuǎn)換關(guān)系不再會(huì)隨閾值電壓的漂移而變動(dòng)。而源極電阻R則可視為一參考阻抗，因其阻值會(huì)與控制電壓至控制電流的轉(zhuǎn)換關(guān)系相關(guān)。轉(zhuǎn)換電路32根據(jù)控制電壓Vctrl而轉(zhuǎn)換出的控制電流Ictrl可經(jīng)由一輸出電路(譬如說(shuō)是經(jīng)由圖4中的電流鏡38鏡射)而傳輸至復(fù)制偏壓電路34。
請(qǐng)繼續(xù)參考圖5。圖5中是以一延遲器D(n)來(lái)代表本發(fā)明環(huán)式震蕩器36中各個(gè)延遲器D的共通電路架構(gòu)。延遲器D(n)代表第n個(gè)延遲器，其內(nèi)設(shè)有兩個(gè)互相匹配的n型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管Ma、Ma’以及兩個(gè)互相匹配的p型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管Mb、Mb’。其中，晶體管Ma、Mb形成一個(gè)反相器，晶體管Ma的柵極為輸入端ip(n)+，而晶體管Mb的漏極則為輸出端op(n)-。同理，晶體管Ma’、Mb’則形成另一個(gè)反相器，晶體管Ma’的柵極為輸入端ip(n)-，晶體管Mb’的漏極則為輸出端op(n)+。另外，兩反相器于晶體管Ma、Ma’的源極則為電流端，兩反相器分別經(jīng)由此電流端而電連于一n型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管Mm。為了實(shí)現(xiàn)較佳的壓控頻率特性，本發(fā)明還在延遲器中增設(shè)了兩個(gè)n型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管Mnr、Mnr’，分別作為兩反相器的負(fù)阻單元。此兩晶體管Mnr、Mnr’可為互相匹配的晶體管；其中晶體管Mnr對(duì)應(yīng)于晶體管Ma/Mb所形成的反相器，故晶體管Mnr電連于輸出端op(n)-與晶體管Ma的源極間，其柵極則受控于另一反相器的輸出端op(n)+。對(duì)稱(chēng)地，晶體管Mnr’則對(duì)應(yīng)于晶體管Ma’/Mb’所形成的反相器，故晶體管Mnr’電連于輸出端op(n)+與晶體管Ma’的源極間，其柵極則受控于另一反相器的輸出端op(n)-，以根據(jù)輸出端op(n)-的電壓電平高低而導(dǎo)通或不導(dǎo)通。
當(dāng)多個(gè)延遲器D要連接為環(huán)式回路時(shí)，其連接方式可說(shuō)明如下。假設(shè)環(huán)式震蕩器36中有N個(gè)延遲器D，對(duì)第n個(gè)延遲器D(n)來(lái)說(shuō)(n＝0，1，...，(N-2))，延遲器D(n)的輸出端op(n)-可連接于次一延遲器D(n+1)的輸出端ip(n+1)+；延遲器D(n)的輸出端op(n)+則可連接于次一延遲器D(n+1)的輸入端ip(n+1)-。若N為偶數(shù)，則第N個(gè)延遲器D(N-1)的輸出端op(N-1)+與op(N-1)-可分別連接回第1個(gè)延遲器D(0)的輸入端i p(0)+與ip(0)-。若N為奇數(shù)，則第N個(gè)延遲器的輸出端op(N-1)+與op(N-1)-可分別連接回第1個(gè)延遲器D(0)的輸出端ip(0)-與ip(0)+。經(jīng)由環(huán)式回路的連接，各延遲器D在任一輸出端的訊號(hào)即可作為環(huán)式震蕩器36所提供的震蕩訊號(hào)。
搭配各延遲器D中的晶體管Mm，復(fù)制偏壓電路34中也設(shè)有與晶體管Mm匹配的兩個(gè)n型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管M8、M9，使晶體管M8、M9、各個(gè)延遲器中的晶體管Mm可以和另一n型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管M7共同形成一個(gè)電流鏡，此一電流鏡可由晶體管M8接收轉(zhuǎn)換電路32所提供的控制電流Ictrl，并將此控制電流Ictrl鏡射至晶體管M9與各個(gè)延遲器D的晶體管Mm，故晶體管Mm也可視為各延遲器D中的一個(gè)電流鏡單元。
搭配各延遲器D中的晶體管Mb、Mb’，復(fù)制偏壓電路34中則設(shè)有與各晶體管Mb、Mb’互相匹配的一個(gè)p型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管M6。復(fù)制偏壓電路34中的放大器A(可用高增益的差動(dòng)放大器來(lái)實(shí)現(xiàn))則可根據(jù)節(jié)點(diǎn)Pd與節(jié)點(diǎn)P的電壓差來(lái)調(diào)控晶體管M6以及各晶體管Mb、Mb’的柵極偏壓。由于放大器A與M6架構(gòu)出一回授控制的回授電路，而晶體管M6又導(dǎo)通了電流Ictrl，故放大器A對(duì)晶體管M6的柵極電壓調(diào)控會(huì)使晶體管M6在導(dǎo)通電流Ictrl的情況下將節(jié)點(diǎn)P的電壓維持與節(jié)點(diǎn)Pd的電壓相等。
為了實(shí)現(xiàn)較佳的壓控頻率特性，本發(fā)明在復(fù)制偏壓電路34中特別設(shè)有一個(gè)二極管形式連接的n型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管Mdio，以做為一負(fù)載單元(即一負(fù)載電路)。復(fù)制偏壓電路34中的定電流源46則用來(lái)提供一定值電流Iext。此定電流源46可用一帶隙電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，使電流Iext的電流大小能抵抗組件特性漂移而維持定值，故電流Iext可視為一標(biāo)準(zhǔn)的參考電流。而此電流Iext即可注入負(fù)載單元Mdio，以根據(jù)負(fù)載單元的二極管電流-電壓關(guān)系而建立起節(jié)點(diǎn)Pd的電壓。電流Iext在負(fù)載單元上建立的跨壓可稱(chēng)為負(fù)載電壓，而此負(fù)載電壓與偏壓電壓Vdd間的差異即可當(dāng)作是本發(fā)明復(fù)制偏壓電路34所提供的擺幅電壓Vsw(如圖5中所標(biāo)示的)。也就是說(shuō)，在放大器A與晶體管M6的聯(lián)合運(yùn)作下，節(jié)點(diǎn)P的電壓會(huì)被維持于電壓(Vdd-Vsw)。
綜合轉(zhuǎn)換電路32、復(fù)制偏壓電路34及環(huán)式震蕩器36中的電路架構(gòu)與連接，本發(fā)明延遲器D(n)的運(yùn)作情形可描述如下。假設(shè)輸入端ip(n)+的訊號(hào)開(kāi)始由低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖剑瑫r(shí)間輸入端ip(n)-的訊號(hào)也開(kāi)始反相地由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖?。輸入端ip(n)+的高電平會(huì)使晶體管Ma導(dǎo)通，使晶體管Mm鏡射的電流Ictrl會(huì)導(dǎo)通于晶體管Mb，再配合放大器A的柵極偏壓調(diào)控，輸出端op(n)-的電壓電平就會(huì)從原先的電壓Vdd而被快速拉低，在經(jīng)過(guò)一段延遲時(shí)間后被拉低至電壓(Vdd-Vsw)，而此電壓電平(Vdd-Vsw)也就定義了震蕩訊號(hào)中的低電平。等效上來(lái)說(shuō)，延遲時(shí)間的長(zhǎng)短就是用電流Ictrl來(lái)將輸出端op(n)-處的等效電容放電，使其放電幅度達(dá)到擺幅電壓Vsw。因此，在合理的估計(jì)下，延遲時(shí)間也就正比于控制電流Ictrl，并反比于擺幅電壓Vsw。
另一方面，當(dāng)輸出端op(n)-的訊號(hào)在轉(zhuǎn)變電平的期間，另一反相器中的晶體管Ma’會(huì)因?yàn)檩斎攵薸p(n)-的低電平訊號(hào)而停止導(dǎo)通，由導(dǎo)通的Mb’來(lái)對(duì)輸出端op(n)+的等效電容充電，使其能在一段延遲時(shí)間后由原先的低電平而上升至高電平。
當(dāng)兩輸出端op(n)+、op(n)-在轉(zhuǎn)變電平的期間，晶體管Mnr也會(huì)因輸出端op(n)+的高電平訊號(hào)而開(kāi)始導(dǎo)通，協(xié)助晶體管Ma一起驅(qū)動(dòng)輸出端op(n)-的放電，使輸出端op(n)-的電壓能夠快速充分地轉(zhuǎn)變，讓輸出端op(n)-的電壓改變幅度能充分地達(dá)到擺幅電壓Vsw所定義的幅度。而這也就是本發(fā)明得以實(shí)現(xiàn)出較佳壓控頻率特性的技術(shù)之一。等效上來(lái)說(shuō)，當(dāng)晶體管Mnr導(dǎo)通時(shí)，可提供一負(fù)阻抗來(lái)減少輸出端op(n)-的寄生電阻效應(yīng)，使輸出端op(n)-的電壓電平能快速地充分轉(zhuǎn)變，這也使得本發(fā)明能在高震蕩頻率下依然維持較佳的壓控頻率特性。另外，在晶體管Ma’停止導(dǎo)通時(shí)，晶體管Mnr’也會(huì)因輸出端op(n)-的低電平而停止導(dǎo)通。
結(jié)合環(huán)式震蕩器36中各延遲器于環(huán)式回路上循環(huán)相互觸發(fā)所產(chǎn)生的訊號(hào)，就能作為環(huán)式震蕩器36的震蕩訊號(hào)；而此震蕩訊號(hào)的周期就正比于各延遲器的延遲時(shí)間。因此，在合理的估計(jì)下，震蕩頻率f可表示為f＝Ictrl/(N*Ceff*Vsw)；其中，N為延遲器的個(gè)數(shù)，Ceff則是在延遲器中各輸出端上的等效電容(包括與該輸出端相連的各晶體管的寄生電容等等)。代入轉(zhuǎn)換電路32在控制電壓Vctrl與控制電流Ictrl之間建立的轉(zhuǎn)換關(guān)系Ictrl＝(Vctrl+Vc)/R，則本發(fā)明壓控震蕩器30所建立的壓控頻率特性即可表示為f＝(Vctrl+Vc)/(N*Ceff*R*Vsw)。
觀(guān)察上述本發(fā)明的壓控頻率特性，可發(fā)現(xiàn)以下特點(diǎn)。首先，控制電壓Vctrl與震蕩頻率f間有良好的線(xiàn)性關(guān)系，故可減少壓控震蕩器的抖動(dòng)現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)出更為穩(wěn)定的壓控震蕩器。另外，本發(fā)明的壓控頻率特性也不容易因組件特性漂移而有大幅的變動(dòng)。與圖1、圖2中的典型壓控震蕩器10相比較，本發(fā)明的壓控頻率特性中已經(jīng)排除了閾值電壓對(duì)壓控頻率特性的影響，故本發(fā)明中的壓控頻率特性只剩下(R*Vsw)此一乘積會(huì)影響壓控頻率特性；其中，R為轉(zhuǎn)換電路32中源極電阻的阻值，Vsw則為復(fù)制偏壓電路34所建立的擺幅電壓。而在本發(fā)明中，由于擺幅電壓Vsw是由負(fù)載單元(即晶體管Mdio)所建立的，本發(fā)明將可使電阻R與擺幅電壓Vsw這兩項(xiàng)因素在組件特性漂移時(shí)相互補(bǔ)償，讓(R*Vsw)此一乘積不會(huì)在組件特性漂移的情況下大幅改變，進(jìn)一步使本發(fā)明的壓控頻率特性能對(duì)組件特性漂移具有較佳的抵抗力。
如前所述，擺幅電壓Vsw是依據(jù)定值電流Iext于負(fù)載單元(也就是二極管連接的晶體管Mdio)上建立的跨壓所產(chǎn)生的。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所知，對(duì)二極管連接的晶體管Mdio來(lái)說(shuō)，其漏極-源極間的電壓-電流關(guān)系可表示為i＝0.5*u*Cox*(W/L)*(v-Vth_Mdio)^2；其中，i、v分別代表漏極/源極間的電流與電壓，u為載流子移動(dòng)率(mobility)，Cox為柵極電容，(W/L)為金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的通道寬度與長(zhǎng)度之比，Vth_Mdio則為晶體管Mdio的閾值電壓；而0.5*u*Cox*(W/L)等效上就能代表晶體管Mdio的導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)能力。根據(jù)圖5中電路配置，將Iext與Vsw代入上述的電流-電壓關(guān)系，即可得到Iext＝0.5*u*Cox*(W/L)*(Vdd-Vsw-Vth_Mdio)^2。
了解擺幅電壓的相關(guān)等式后，本發(fā)明使源極電阻R與擺幅電壓Vsw互相補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)作原理即可說(shuō)明如下。舉例來(lái)說(shuō)，在某些工藝變異或運(yùn)作溫度的影響下，會(huì)使電阻R的阻值漂移變大(大于原先的設(shè)計(jì)值)。但由于電阻R與晶體管Mdio會(huì)在同一工藝下形成于同一芯片上，故相同的工藝變異也會(huì)使晶體管Mdio的載流子移動(dòng)率u大幅減小(而其閾值電壓Vth_Ndio則會(huì)小幅減少)。但由于負(fù)載單元的電流受制于定值電流Iext，為了順應(yīng)此定值電流Iext的注入，負(fù)載單元跨壓(即晶體管Mdio的源極/漏極間跨壓)就要隨之增大來(lái)彌補(bǔ)減少的載流子移動(dòng)率(也就是減小的導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)能力)，這樣才能維持定值電流Iext的導(dǎo)通(由于定值電流Iext是以帶隙電路提供，故其電流值不致于隨工藝變異而漂移)。而當(dāng)晶體管Mdio的跨壓增加，擺幅電壓Vsw就會(huì)隨之變小，因此，也就能補(bǔ)償漂移變大的阻值R，使(R*Vsw)此一乘積不致于隨組件特性漂移而大幅變動(dòng)，并進(jìn)一步使本發(fā)明的壓控頻率特性較能抵抗組件特性漂移。
另外，當(dāng)壓控震蕩器30運(yùn)作于較高的溫度時(shí)，各延遲器D的作用也會(huì)因組件特性漂移而變慢，也就是使延遲時(shí)間漂移變長(zhǎng)。然而，在較高溫度下，晶體管Mdio的跨壓亦會(huì)增加，連帶地使擺幅電壓Vsw縮小。由于震蕩頻率會(huì)反比于延遲時(shí)間與擺幅電壓的乘積，故擺幅電壓的縮小能和延遲時(shí)間的增加相互補(bǔ)償，進(jìn)而維持震蕩頻率，使壓控頻率特性能抵抗操作溫度所引發(fā)的組件特性漂移。
換句話(huà)說(shuō)，在本發(fā)明所特別設(shè)計(jì)的電路架構(gòu)下，只要源極電阻R與晶體管Mdio所形成的負(fù)載單元能有電氣性質(zhì)上的耦合(像是在同一工藝中形成于同一芯片上)時(shí)，其特性漂移就能相互補(bǔ)償，使本發(fā)明所實(shí)現(xiàn)出來(lái)的壓控頻率特性更能抵抗組件特性漂移。更具體地說(shuō)，當(dāng)源極電阻R(也就是參考阻抗)的阻值朝向某一趨勢(shì)漂移時(shí)，負(fù)載單元的特性漂移會(huì)使負(fù)載單元的負(fù)載電壓(也就是負(fù)載單元的跨壓)朝向相同趨勢(shì)漂移，并使擺幅電壓Vsw朝相反趨勢(shì)漂移，進(jìn)而補(bǔ)償參考阻抗的阻值漂移，維持較佳的壓控頻率特性。
請(qǐng)參考圖6；圖6是以電路仿真的結(jié)果來(lái)比較典型壓控震蕩器10(第1-2圖)與本發(fā)明壓控震蕩器30(圖3-5)在不同情形下的壓控頻率特性。在圖6中，圖表6A為典型壓控震蕩器的壓控頻率特性，圖表6B則為本發(fā)明壓控震蕩器所實(shí)現(xiàn)出來(lái)的壓控頻率特性；各圖表的橫軸為電壓(單位為伏特)，縱軸則為頻率(單位為MHz)。各圖表中的不同壓控曲線(xiàn)則代表不同工藝變異下所制造出來(lái)的壓控震蕩器運(yùn)作于不同溫度時(shí)所實(shí)現(xiàn)的壓控頻率特性；如各曲線(xiàn)的標(biāo)示(legend)所示，其中TT、SS、FF代表不同的工藝變異(像是所謂的快工藝FF與慢工藝SS)，而工藝變異后的數(shù)字代表壓控震蕩器的運(yùn)作溫度(攝氏溫度)。譬如說(shuō)，標(biāo)示為SS(70)的曲線(xiàn)就代表SS的慢工藝變異下所制造出來(lái)的壓控震蕩器運(yùn)作于溫度70度時(shí)所實(shí)現(xiàn)出來(lái)的壓控頻率特性。換句話(huà)說(shuō)，各圖表中不同的曲線(xiàn)就代表了不同程度的組件特性漂移對(duì)壓控頻率特性的影響。
觀(guān)察圖6中的圖表6A可知，在圖1-2中典型設(shè)計(jì)的壓控震蕩器10極易受組件特性漂移的影響；當(dāng)組件特性因工藝變異或/及運(yùn)作溫度而漂移時(shí)，其壓控頻率特性也會(huì)隨之發(fā)生大幅的變動(dòng)。在不同的組件特性漂移下，不同壓控頻率特性所涵蓋的壓控頻率范圍也會(huì)大幅變動(dòng)，無(wú)法有良好的交集，這就代表了在不同組件特性漂移的情形下，典型壓控震蕩器10可能震蕩不出其應(yīng)有的頻率。像在圖表6A中，標(biāo)示為FF(0)的曲線(xiàn)可涵蓋485MHz至660MHz的壓控頻率范圍，但標(biāo)示為SS(125)的曲線(xiàn)所涵蓋的壓控頻率范圍卻僅為360MHz至480MHz，兩者的交集甚少，代表組件特性漂移會(huì)大大地改變典型壓控震蕩器10的壓控頻率特性。
相較之下，由圖6中的圖表6B可知，本發(fā)明于圖3至圖5中的壓控震蕩器30就更能抵抗組件特性漂移。即使發(fā)生了不同程度的組件特性漂移，各個(gè)對(duì)應(yīng)的壓控頻率特性曲線(xiàn)還是相當(dāng)集中，各曲線(xiàn)所涵蓋的壓控頻率范圍也有良好的交集，代表本發(fā)明的電路設(shè)計(jì)技術(shù)的確能實(shí)現(xiàn)出較佳的壓控頻率特性來(lái)抵抗組件特性漂移的影響。
請(qǐng)參考圖7。圖7即為本發(fā)明壓控震蕩器30運(yùn)用于一鎖相電路的示意圖。此鎖相電路中可設(shè)有一相位檢測(cè)器、一電荷泵浦(charge pump)、一低通濾波器，并可配合本發(fā)明的壓控震蕩器以形成一鎖相回路。此鎖相電路可根據(jù)一參考訊號(hào)(或時(shí)鐘)而產(chǎn)生一同步的震蕩訊號(hào)。其中，相位檢測(cè)器可比較參考訊號(hào)與震蕩訊號(hào)的頻率/相位差異，電荷泵浦與低通濾波器可將兩者間的頻率/相位差異轉(zhuǎn)化為低頻的控制電壓Vctrl，而壓控震蕩器就能根據(jù)此控制電壓Vctrl的頻率大小來(lái)調(diào)整震蕩頻率的特性，使震蕩訊號(hào)能逐漸修正其頻率，最后和參考訊號(hào)達(dá)到同步。
綜合以上討論可知，相較于已知/典型的壓控震蕩器設(shè)計(jì)，本發(fā)明所披露的壓控震蕩器設(shè)計(jì)不僅能實(shí)現(xiàn)出線(xiàn)性的壓控頻率特性來(lái)減少訊號(hào)抖動(dòng)，也能使壓控頻率特性更能抵抗組件特性漂移的影響，使壓控頻率特性不會(huì)隨組件特性漂移而大幅變動(dòng)，這樣就能使壓控震蕩器的運(yùn)作更為穩(wěn)定、訊號(hào)抖動(dòng)更少，也更能廣泛運(yùn)用于各種運(yùn)作環(huán)境。除了作為壓控震蕩器之外，本發(fā)明的技術(shù)精神也可實(shí)現(xiàn)壓控延遲器等等。而在本發(fā)明的各個(gè)電路中，除了圖4、圖5所披露的電路設(shè)計(jì)外，其它等效的電路設(shè)計(jì)也能用來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的精神。舉例來(lái)說(shuō)，在圖5的實(shí)施例中，本發(fā)明是以一二極管形式連接的金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管Mdio來(lái)做為一負(fù)載單元，并根據(jù)此負(fù)載單元的跨壓來(lái)提供擺幅電壓Vsw。在此處，此負(fù)載單元也可用一電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)，以定電流Iext在此電阻上建立的跨壓，并根據(jù)定值偏壓的直流偏壓電壓Vdd與此跨壓間的電壓差來(lái)提供擺幅電壓Vsw。當(dāng)轉(zhuǎn)換電路32中源極電阻R的阻值因組件特性漂移而變大時(shí)，負(fù)載單元的阻值也會(huì)變大，進(jìn)而使擺幅電壓Vsw朝相反趨勢(shì)變小，使源極電阻的阻值與擺幅電壓Vsw能相互補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)精神。甚至，此負(fù)載單元中還可利用一電阻與一二極管形式連接的金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管來(lái)串連實(shí)現(xiàn)。
另外，經(jīng)由本發(fā)明于圖4、圖5的披露后，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員也應(yīng)該能輕易地依據(jù)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的工作原理來(lái)互補(bǔ)地改變n型與p型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的配置。舉例來(lái)說(shuō)，在本發(fā)明于圖5的實(shí)施例中，各延遲器于偏壓電壓Vdd至Vg間的電路配置依序?yàn)闁艠O受控于復(fù)制偏壓電路的p型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管Mb/Mb’、柵極作為輸入端的n型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管Ma/Ma’與作為負(fù)阻單元的n型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管Mnr/Mnr’、作為電流鏡單元的n型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管Mm。然而，根據(jù)n型/p型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的互補(bǔ)工作原理，延遲器于偏壓電壓Vdd與Vg間的電路設(shè)計(jì)排列也可合理的變更為作為電流鏡單元的p型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管、兩個(gè)柵極作為輸入端的p型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管(并搭配兩個(gè)作為負(fù)阻單元的p型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管)、兩個(gè)柵極受控于復(fù)制偏壓電路的n型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管以適當(dāng)?shù)貙?dǎo)通控制電流Ictrl。當(dāng)然，延遲器的設(shè)計(jì)變更，對(duì)應(yīng)的復(fù)制偏壓電路及轉(zhuǎn)換電路的電路設(shè)計(jì)也需要變更，然而，根據(jù)本發(fā)明于圖4、圖5的披露，這些變更應(yīng)為本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能循例完成的，故亦應(yīng)屬于本發(fā)明的涵蓋范圍。除此之外，本發(fā)明也可采用單一反相器來(lái)實(shí)現(xiàn)一延遲器，也就是在一延遲器中只有一個(gè)輸入端及一個(gè)對(duì)應(yīng)的輸出端；若采用此種延遲器，環(huán)式震蕩器中可利用奇數(shù)個(gè)延遲器來(lái)架構(gòu)環(huán)式震蕩。又譬如說(shuō)，在圖4中，轉(zhuǎn)換電路32的源極退化配置是將源極電阻R配置于偏壓電壓Vdd與一p型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的源極之間，但依據(jù)n型/p型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的互補(bǔ)工作原理，此源極退化的配置也可用一n型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)，也就是將源極電阻配置于此n型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的源極與偏壓電壓Vg之間以實(shí)現(xiàn)源極退化配置，以此類(lèi)推。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明的權(quán)利要求所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種壓控震蕩器，用以根據(jù)一控制電壓提供一對(duì)應(yīng)的震蕩訊號(hào)，使該震蕩訊號(hào)頻率大小對(duì)應(yīng)于該控制電壓的大小，該壓控震蕩器包含有一轉(zhuǎn)換電路，用以將該控制電壓轉(zhuǎn)換成一控制電流；一復(fù)制偏壓電路，連接至該轉(zhuǎn)換電路，設(shè)有一負(fù)載單元用以提供一擺幅電壓；以及一環(huán)式震蕩器，連結(jié)至該復(fù)制偏壓電路，其中該環(huán)式震蕩器包含有至少一延遲器互相串接，該延遲器包含有一對(duì)差動(dòng)輸入端，分別反相對(duì)應(yīng)有一對(duì)差動(dòng)輸出端，當(dāng)有一訊號(hào)于其中一輸入端電平轉(zhuǎn)換時(shí)，該延遲器使得該訊號(hào)于一延遲時(shí)間后于對(duì)應(yīng)的一輸出端輸出至下一級(jí)該延遲器，經(jīng)由該環(huán)式震蕩器的循環(huán)觸發(fā)后，使得該訊號(hào)周期震蕩成該震蕩訊號(hào)；其中該復(fù)制偏壓電路根據(jù)該控制電流以及該擺幅電壓調(diào)整該環(huán)式震蕩器的偏壓，用以決定該延遲時(shí)間。
2.如權(quán)利要求1所述的壓控震蕩器，其中該轉(zhuǎn)換電路偏壓于一偏壓電壓以及一接地電壓間，該轉(zhuǎn)換電路包含有一第一源極退化裝置，其中該控制電壓由該第一源極退化裝置饋入，并形成一第一導(dǎo)通電流；一第二源極退化裝置，其中利用一定電壓源提供一定電壓至該第二源極退化裝置，并形成一第二導(dǎo)通電流；以及一第一電流鏡，連結(jié)于該第一源極退化裝置以及該第二源極退化裝置間。
3.如權(quán)利要求2所述的壓控震蕩器，其中該第一源極退化裝置包含有一第一晶體管以及一第一參考電阻，其中該第一參考電阻一端連結(jié)至該第一晶體管的源極，一端接收該偏壓電壓，而該控制電壓由該第一晶體管的柵極饋入，并于該第一晶體管的漏極形成該第一導(dǎo)通電流；其中該第二源極退化裝置包含有一第二晶體管以及一第二參考電阻，其中該第二參考電阻一端連結(jié)至該第二晶體管的源極，一端接收該偏壓電壓，該定電壓源由該第二晶體管的柵極饋入，并于該第二晶體管的漏極形成該第二導(dǎo)通電流。
4.如權(quán)利要求3所述的壓控震蕩器，其中該第一電流鏡包含有一第三晶體管以及一第四晶體管，其中該第三晶體管以及該第四晶體管的源極分別連結(jié)該偏壓電壓，該第三晶體管以及該第四晶體管的柵極互相連接，該第四晶體管的漏極連結(jié)至該第三晶體管以及該第四晶體管的柵極間，并于該第四晶體管的漏極形成一第三導(dǎo)通電流，并將該第三導(dǎo)通電流鏡射至該第三晶體管的漏極，且該第一晶體管的漏極與該第三晶體管的漏極連結(jié)于一第一節(jié)點(diǎn)，其中該第二晶體管的漏極以及該第四晶體管的漏極連結(jié)于一第二節(jié)點(diǎn)。
5.如權(quán)利要求4所述的壓控震蕩器，其中該轉(zhuǎn)換電路還包含有一第一定電流源，一端連結(jié)于該第二節(jié)點(diǎn)，另一端連結(jié)該接地電壓，用以提供一第一參考電流，而該第一參考電流的值為兩倍該定電壓除以該第二參考電阻的電阻值。
6.如權(quán)利要求5所述的壓控震蕩器，其中該第一導(dǎo)通電流為該控制電壓減去該第一晶體管的閾值電壓絕對(duì)值再除以該第一電阻的組值；該第二導(dǎo)通電流為該定電壓減去該第二晶體管的閾值電壓絕對(duì)值再除以該第二電阻的組值；該第三導(dǎo)通電流為該第一參考電流減去該第二導(dǎo)通電流。
7.如權(quán)利要求6所述的壓控震蕩器，其中該第一導(dǎo)通電流與鏡射至該第三晶體管的第三導(dǎo)通電流形成該轉(zhuǎn)換電路的該控制電流。
8.如權(quán)利要求7所述的壓控震蕩器，其中該第一晶體管與該第二晶體管的閾值電壓相同，且其中該第一參考電阻與第二參考電阻的電阻值相同。
9.如權(quán)利要求7所述的壓控震蕩器，其中該轉(zhuǎn)換電路還包含有一輸出電路，連結(jié)至該第一節(jié)點(diǎn)，用以將該控制電流輸出至該復(fù)制偏壓電路。
10.如權(quán)利要求9所述的壓控震蕩器，其中該輸出電路可為一電流鏡電路。
11.如權(quán)利要求1所述的壓控震蕩器，其中該延遲器包含有一第一反相器，一第二反相器，以及一第五晶體管，其中該第一反相器以及該第二反相器分別連結(jié)至該第五晶體管。
12.如權(quán)利要求11所述的壓控震蕩器，其中該第一反相器包含有一第六晶體管以及一第七晶體管串接；該第二反相器包含有一第八晶體管以及一第九晶體管串接；其中該第六晶體管的柵極為該延遲器的一正輸入端，該第八晶體管的柵極為該延遲器的一負(fù)輸入端，該第七晶體管的漏極為該延遲器的一負(fù)輸出端，該第九晶體管的漏極為該延遲器的一正輸出端，而該第七晶體管與第九晶體管的源極分別連接該偏壓電壓，該第六晶體管的漏極端連接至該負(fù)輸出端，該第八晶體管的漏極連結(jié)至該正輸出端。
13.如權(quán)利要求12所述的壓控震蕩器，其中還包含有一第十晶體管，連結(jié)于該負(fù)輸出端以及該第六晶體管的源極間，用以當(dāng)作該第一反相器的負(fù)阻單元；以及一第十一晶體管，連結(jié)于該正輸出端以及該第八晶體管的源極間，用以當(dāng)作該第二反相器的負(fù)阻單元。
14.如權(quán)利要求13所述的壓控震蕩器，其中該復(fù)制偏壓電路包含有一回授電路以及一第二電流鏡，其中該回授電路的輸入端接有一第二定電流源用以提供一第二參考電流至該負(fù)載單元。
15.如權(quán)利要求14所述的壓控震蕩器，其中該回授電路包含有一放大器以及一第十二晶體管，該第二定電流源以及該負(fù)載單元經(jīng)由一第三節(jié)點(diǎn)連結(jié)至該放大器的正輸入端，該放大器的輸出端連結(jié)至該第十二晶體管的柵極，該第十二晶體管的源及連結(jié)該偏壓電壓，而該第十二晶體管的漏極經(jīng)由一第四節(jié)點(diǎn)回授至該放大器的負(fù)輸入端。
16.如權(quán)利要求15所述的壓控震蕩器，該復(fù)制偏壓電路還包含有一第十三晶體管，與該延遲器中的該第五晶體管形成一第三電流鏡，其中該第十三晶體管的柵漏連接該偏壓電壓，該第十三晶體管的源漏連結(jié)至該第二電流鏡，該第十三晶體管的漏極連結(jié)至該第四節(jié)點(diǎn)。
17.如權(quán)利要求16所述的壓控震蕩器，其中該第二電流鏡包含有一第十四晶體管以及一第十五晶體管，其中該第十四晶體管接收由該轉(zhuǎn)換電路過(guò)來(lái)的該控制電流，并鏡射至該第十五晶體管，其中該第三電流鏡使得該控制電流鏡射至該第五晶體管。
18.如權(quán)利要求15所述的壓控震蕩器，其中該第二參考電流流入該負(fù)載單元形成該第三節(jié)點(diǎn)的電壓，同時(shí)于該負(fù)載單元上形成一負(fù)載電壓，該負(fù)載電壓與該偏壓電壓的差異形成該擺幅電壓。
19.如權(quán)利要求18所述的壓控震蕩器，其中該放大器可根據(jù)該第三節(jié)點(diǎn)以及該第四節(jié)點(diǎn)的電壓差調(diào)整該第十二晶體管，該第七晶體管以及該第九晶體管的柵極偏壓，其中在當(dāng)該第十二晶體管的導(dǎo)通電流為該控制電流的情況下，使得該第四節(jié)點(diǎn)的電壓維持與該第三節(jié)點(diǎn)的電壓相同，亦即該第四節(jié)點(diǎn)的電壓維持為該偏壓電壓減去該擺幅電壓。
20.如權(quán)利要求1所述的壓控震蕩器，其中該負(fù)載單元可為一個(gè)二極管形式的NMOS晶體管，或是一個(gè)電阻，或是一個(gè)電阻與一個(gè)二極管形式NMOS晶體管的組合。
21.如權(quán)利要求1所述的壓控震蕩器，其中該壓控震蕩器可用于一鎖相電路中，該鎖相電路包含有一相位檢測(cè)器，接收一參考訊號(hào)；一電荷泵浦，連結(jié)至該相位檢測(cè)器；以及一低通濾波器，連接于該電荷泵浦與該壓控震蕩器間；其中該鎖相電路根據(jù)該參考訊號(hào)產(chǎn)生該震蕩訊號(hào)，該相位檢測(cè)器比較該參考訊號(hào)與該震蕩訊號(hào)的頻率相位的差異，該電荷泵浦與該低通率波將頻率相位的差異轉(zhuǎn)換成低頻的該控制電壓，而該壓控震蕩器根據(jù)該控制電壓的大小調(diào)整該震蕩訊號(hào)與該參考訊號(hào)的頻率同步。
22.一種震蕩訊號(hào)的方法，用以提供一震蕩訊號(hào)，其中該震蕩訊號(hào)的頻率對(duì)應(yīng)一控制電壓的大小，該震蕩訊號(hào)的方法包含有對(duì)應(yīng)一參考阻抗將該控制電壓轉(zhuǎn)換成一控制電流；根據(jù)一負(fù)載電壓提供一擺幅電壓；以及使得一訊號(hào)于一延遲時(shí)間后輸出成該震蕩訊號(hào)，其中根據(jù)該控制電流以及該擺電壓決定該延遲時(shí)間；其中該參考阻抗與該擺幅電壓的組件特性互補(bǔ)。
23.如權(quán)利要求22所述的震蕩訊號(hào)的方法，其中維持該參考阻抗與該擺幅電壓的乘積為一定值。
24.如權(quán)利要求22所述的震蕩訊號(hào)的方法，其中該負(fù)載電壓由一定值參考電流流過(guò)一負(fù)載單元形成，其中根據(jù)一定值偏壓與該負(fù)載電壓的差異提供該擺幅電壓。
25.如權(quán)利要求24所述的震蕩訊號(hào)的方法，利用至少一延遲器延遲該震蕩訊號(hào)的輸出，其中該延遲器的一正輸入端對(duì)應(yīng)一負(fù)輸出端；當(dāng)輸入該訊號(hào)使得該延遲器的正輸入端由低電平轉(zhuǎn)換成高電平時(shí)，使得連結(jié)于該正輸入端的一第一晶體管導(dǎo)通，而該控制電流鏡射至該延遲器，使得連結(jié)于該負(fù)輸出端的一第二晶體管導(dǎo)通，并對(duì)該負(fù)輸出端的等校電容放電，使其能于該延遲時(shí)間后由原先的高位轉(zhuǎn)拉至低為準(zhǔn)，其中該延遲器的負(fù)輸入端被放電成該定值偏壓減去該擺幅電壓。
26.如權(quán)利要求25所述的震蕩訊號(hào)的方法，其中該延遲器的一負(fù)輸入端對(duì)應(yīng)一正輸出端；輸入該訊號(hào)的反相訊號(hào)至該負(fù)輸入端，使得該負(fù)輸入端由高電平轉(zhuǎn)換成低電平，當(dāng)該負(fù)輸出端于電平轉(zhuǎn)換的期間，使得連結(jié)于該負(fù)輸入端的一第三晶體管停止導(dǎo)通，使得該正輸出端的一第四晶體管導(dǎo)通，并對(duì)該正輸出端的等效電容充電，使其能于該延遲時(shí)間后由原先的低位轉(zhuǎn)拉至高電平。
27.如權(quán)利要求26所述的震蕩訊號(hào)的方法，其中還包含提供一負(fù)阻抗以減少該負(fù)輸出端的寄生電阻效應(yīng)，以使得該負(fù)輸出端的電壓電平可以快速的轉(zhuǎn)換。
全文摘要
本發(fā)明提供一壓控震蕩器及相關(guān)技術(shù)，以根據(jù)一控制電壓控制一震蕩訊號(hào)的頻率。本發(fā)明壓控震蕩器中設(shè)有一轉(zhuǎn)換電路、一復(fù)制偏壓電路及一環(huán)式震蕩器。轉(zhuǎn)換電路是以?xún)蓚€(gè)具有源極電阻的金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管形成電流相減架構(gòu)，以線(xiàn)性地將控制電壓轉(zhuǎn)換為一控制電流。復(fù)制偏壓電路則根據(jù)一定值電流于一負(fù)載單元上建立的電壓而提供一擺幅電壓。環(huán)式震蕩器中則設(shè)有負(fù)阻單元來(lái)協(xié)助驅(qū)動(dòng)訊號(hào)震蕩，以依據(jù)控制電流及擺幅電壓控制震蕩訊號(hào)的頻率。而在本發(fā)明中，源極電阻與負(fù)載單元的配置設(shè)計(jì)可使兩者在組件特性漂移時(shí)相互補(bǔ)償，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)較佳的壓控頻率特性。
文檔編號(hào)H03L7/08GK1787378SQ200510126838
公開(kāi)日2006年6月14日 申請(qǐng)日期2005年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月24日
發(fā)明者吳清延 申請(qǐng)人:威盛電子股份有限公司