压控振荡器的制作方法

1.本发明涉及一种压控振荡器，特别涉及一种具高电源电压抑制比与高功效的压控振荡器。


背景技术：

2.压控振荡器(voltage-controlled oscillator，vco)是许多电子系统中重要且关键的部件，其可被应用在各式电子电路装置中，例如应用在锁相环(phase lock loop，pll)或时钟数据恢复(clock and data recovery，cdr)电路中。一般来说，压控振荡器可用来产生具有正确且稳定振荡频率的振荡信号。然而，电源的供应通常会带来一些噪声，而电源供噪声将会影响压控振荡器的输出频率以及稳定度，因而造成电源电压抑制比(power supply rejection ratio，psrr)低下且高功耗的情况。因此如何能提升压控振荡器的性能和降低功耗是目前业界的重要课题。


技术实现要素：

3.因此，本发明提供了一种具高电源电压抑制比与高功效的压控振荡器，以解决上述问题。
4.本发明公开了一种压控振荡器，包括：一电流控制振荡器，经配置以接收一偏置电流并且根据所述偏置电流产生具一振荡频率的一振荡信号；一电压-电流转换电路，耦接于一电源供应电压且经配置以根据一输入电压产生一供应电流；以及一噪声消除电路，耦接于所述电源供应电压及所述电压-电流转换电路，经配置以自所述电压-电流转换电路接收一偏置电压及所述供应电流，且经配置以响应于所述电源供应电压的变化而产生一噪声消除电流并且自所述供应电流中将所述噪声消除电流消除以产生所述偏置电流，其中所述噪声消除电路的所述偏置电压耦接于所述电压-电流转换电路的一内部电压。
附图说明
5.图1为本发明实施例的一压控振荡器的示意图。
6.图2为图1中压控振荡器的电路架构的实施例示意图。
7.图3为图2中的电流源的实施例示意图。
8.图4为本发明实施例的压控振荡器的等效电路拓朴的实施例示意图。
9.图5至图8为本发明实施例的噪声消除电路的变化实施例示意图。
10.图9为图1中压控振荡器的另一电路架构的实施例示意图。
11.其中，附图标记说明如下：
12.10、90
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压控振荡器
13.102
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电压-电流转换电路
14.1022、1024、1044、802、9022、9024 电流源
15.1026、9026
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晶体管对
16.1028、9028
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电压产生电路
17.104
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噪声消除电路
18.1042
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电源噪声感测电路
19.106
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电流控制振荡器
20.cvco
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振荡电容
21.i1、i2
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参考电流
22.icancel
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噪声消除电流
23.icco
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偏置电流
24.imain
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供应电流
25.is
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感测电流
26.m1-m13、mp1-mp4
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晶体管
27.vb、vb1
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偏置电压
28.vdd
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电源供应电压
29.vco_out
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振荡信号
30.vctrl
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输入电压
31.vint
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内部电压
具体实施方式
32.请参考图1，图1为本发明实施例的一压控振荡器(voltage-controlled oscillator，vco)10的示意图。压控振荡器10可用来根据一输入电压vctrl产生具有一振荡频率的一振荡信号vco_out。输入电压vctrl可以数字控制形式或是模拟控制形式提供。所应用的输入电压vctrl可决定振荡频率。如图1所示，压控振荡器10包括一电压-电流转换电路102、一噪声消除电路104以及一电流控制振荡器106。电压-电流转换电路102耦接于一电源供应电压vdd，且经配置以根据输入电压vctrl产生一供应电流imain。噪声消除电路104耦接于电源供应电压vdd以及电压-电流转换电路102。噪声消除电路104经配置以从电压-电流转换电路102接收一偏置电压vb及供应电流imain。噪声消除电路104经配置以响应于所述电源供应电压vdd的变化而产生一噪声消除电流icancel，并且经配置以自供应电流imain之中将噪声消除电流icancel消除以产生一偏置电流icco。电流控制振荡器106经配置以从噪声消除电路104接收偏置电流icco，并根据偏置电流icoo产生具有一振荡频率的振荡信号vco_out。振荡信号vco_out的振荡频率可随偏置电流icco而变化。
33.请参考图2，图2为图1中压控振荡器10的电路架构的实施例示意图。电压-电流转换电路102包括电流源1022及1024、一晶体管对1026以及一电压产生电路1028。电流源1022经配置以根据输入电压vctrl产生一参考电流i1。输入电压vctrl可为数字控制或模拟控制。电流源1024经配置以根据输入电压vctrl产生一参考电流i2。参考电流i1与参考电流i2可为成比例的。例如，参考电流i2可以是参考电流i1的α倍(i2＝α*i1)，其中α表示电压-电流转换电路102的一电流增益，α可等于或小于1。
34.请参考图3，图3为图2中的电流源的实施例示意图。如图3所示，电流源1022包括一晶体管m5，电流源1024包括一晶体管m6。晶体管m5及m6可为金属氧化物半导体(metal oxide semiconductor，mos)晶体管或其他具有类似功能的装置。例如，如图3所示，晶体管
m5及m6可为n型金属氧化物半导体(n-type mos，nm0s)晶体管。晶体管m5的栅极端耦接于输入电压vctrl。晶体管m5的漏极端耦接于晶体管对1026以提供参考电流i1。晶体管m6的栅极端耦接于输入电压vctrl。晶体管m6的漏极端耦接于电压产生电路1028以提供参考电流i2。例如，晶体管m6的宽长比(width to length(w/l)ratio)可为晶体管m5的宽长比的α倍，α表示电压-电流转换电路102的一电流增益，α可等于或小于1。
35.请继续参考图2，晶体管对1026耦接于电流源1022。晶体管对1026包括晶体管mp1及mp2。晶体管mp1及mp2可为金属氧化物半导体晶体管或其他具有类似功能的装置。例如，晶体管mp1及mp2可为p型金属氧化物半导体(p-type mos，pm0s)晶体管。晶体管mp1的源极端耦接于电源供应电压vdd，晶体管mp1的栅极端耦接于晶体管mp1的漏极端以及晶体管mp2的栅极端。晶体管mp1的漏极端耦接于电流源1022。晶体管mp1经配置用以镜射参考电流i1。晶体管mp2的源极端耦接于电源供应电压vdd，晶体管mp2的栅极端耦接于晶体管mp1的漏极端与栅极端。晶体管mp2的漏极端耦接于电压产生电路1028。晶体管mp2经配置用以输出供应电流imain，供应电流imain为被镜射的参考电流i1。
36.电压产生电路1028耦接于电流源1024及噪声消除电路104。电压产生电路1028经配置以提供电压-电流转换电路102的一内部电压vint至噪声消除电路104。内部电压vint与电压-电流转换电路102中用来产生供应电流imain的电路可是互为独立的。如图2所示，电压产生电路1028包括晶体管m1及m2。晶体管m1及m2可为金属氧化物半导体晶体管或其他具有类似的运作方式与功能的装置。例如，晶体管m1及m2可为p型金属氧化物半导体晶体管。晶体管m1的源极端耦接于电源供应电压vdd。晶体管m1的栅极端耦接于晶体管m1的漏极端。晶体管m2的栅极端及噪声消除电路104。晶体管m1的漏极端耦接于电流源1024以接收参考电流i2。内部电压vint随着参考电流i2变化。晶体管m1的栅极端的电压为内部电压vint。晶体管m2的源极端耦接于晶体管mp2的漏极端以接收供应电流imain。晶体管m2的栅极端耦接于晶体管m1的栅极端。晶体管m2的漏极端耦接于噪声消除电路104以输出供应电流imain。在一变化实施例中，晶体管m2可以省略或是有其他组态配置。
37.为了改进供应电源的效率，可使用的技术之一就是让供应电流imain对于电源供应电压vdd的变化变得不那么敏感。也就是说，降低供应电源的跨导。如图2所示。供应电流imain是由晶体管mp2基于电源电压vdd所产生，并流过晶体管mp2及m2至噪声消除电路104。由于晶体管m2串接于晶体管mp2，此时从晶体管m2的漏极端向电压-电流转换电路102的方向看的输出阻抗是增加的并且电源供应电压vdd的跨导是变小的。如此一来，当供应电源(电源供应电压vdd)的跨导减少，将可让供应电流imain对于供应电源噪声变得不那么敏感。
38.噪声消除电路104包括一电源噪声感测电路1042及一电流镜1044。电源噪声感测电路1042耦接于电压-电流转换电路102及电源供应电压vdd。电源噪声感测电路1042经配置以从电压-电流转换电路102接收偏置电压vb及供应电流imain。例如，如图2所示，噪声消除电路104的偏置电压vb耦接于电压-电流转换电路102的内部电压vint。电源噪声感测电路1042耦接于晶体管m1的栅极端来接收内部电压vint以做为电源噪声感测电路1042的偏置电压vb。由于噪声消除电路104耦接于晶体管m1的栅极端，电压产生电路1028的偏置电压vb可等于内部电压vint。偏置电压vb(即内部电压vint)可做为噪声消除电路104的一控制电压或一偏置电压。电源噪声感测电路1042经配置以响应于电源供应电压vdd的变化而产
生感测电流is并且产生偏置电压vb(即内部电压vint)。感测电流is可依据电源供应电压vdd与偏置电压vb(即内部电压vint)而决定。
39.电流镜1044耦接于电源噪声感测电路1042、电压-电流转换电路102及电流控制振荡器106。电流镜1044经配置以将感测电流is镜射至噪声消除电流icancel上。如图2所示，电流镜1044包括晶体管m3及m4。例如，晶体管m3及m4可为金属氧化物半导体晶体管或其他具有类似的运作方式与功能的装置。晶体管m4的栅极端耦接于晶体管m4的漏极端及晶体管m3的栅极端。晶体管m4的漏极端耦接于电源噪声感测电路1042。晶体管m4经配置以镜射感测电流is。晶体管m3的漏极端耦接于晶体管m2的漏极端、电压产生电路1028以及电流控制振荡器106。晶体管m3经配置以产生噪声消除电流icancel，其中噪声消除电流icancel为被镜射的感测电流is，并且晶体管m3经配置以从供应电流imain中将噪声消除电流消除以产生偏置电流icco。偏置电流icco被输出至电流控制振荡器106。噪声消除电流icancel可与感测电流is是成比例的。例如，噪声消除电流icancel可等于感测电流is的β倍，β表示电流镜1044的电流增益(电流镜的电流比)，以及β可等于或大于1。例如，晶体管m3的宽长比可为晶体管m4的宽长比的β倍。在一实施例中，电压-电流转换电路102的电流增益α可等于或小于1，电流镜1044的电流增益β可等于或大于1。电压-电流转换电路102的电流增益α与电流镜1044的电流增益β的乘积可等于1(α*β＝1)。
40.当电源供应电压vdd增加，则供应电流imain增加而且电源噪声感测电路产生更大的噪声消除电流icancel，此时偏置电流icco将会变小。另一方面，当电源供应电压vdd变小，则供应电流imain即变小而且电源噪声感测电路产生更小的噪声消除电流icancel，因而偏置电流icco将会变大。基于电流增益α与电流增益β适当的设定，将可通过噪声消除电流来将供应电流之中因为供应电源噪声所造成的变化消除掉。如此一来，电源供应电压vdd的变化就不会影响被提供至电流控制振荡器106的偏置电流icco，而使偏置电流icco能够维持稳定。
41.请参考图4，图4为本发明实施例的压控振荡器10的等效电路拓朴的一实施例示意图。电压-电流转换电路102产生供应电流imain。噪声消除电路104响应于电源供应电压vdd的变化而产生噪声消除电流icancel，并且产生偏置电压vb(即内部电压vint)。噪声消除电路104从供应电流imain中将噪声消除电流icancel消除以产生偏置电流icco。更具体而言，当供应电源受到噪声的干扰时，噪声会被注入电源供应电压vdd之中。由于供应电流imain是基于电源供应电压vdd而产生，供应电流imain将会受到包含有电源供应噪声的电源供应电压vdd的影响而波动。在此情况下，噪声消除电路104响应于电源供应电压vdd的变化而产生噪声消除电流icancel及产生偏置电压vb(即内部电压vint)以消除或降低电源供应电压vdd所带来的噪声影响。如图4所示，噪声消除电路104的输出结果(即偏置电流icco)可视为供应电流imain与噪声消除电流icancel的差值。通过将供应电流imain减去噪声消除电流icancel来产生偏置电流icco而可去除去电源供应电压vdd中的噪声分量。
42.为了改进供应电源的效率，可使用的另一种技术就是让噪声消除电流icancel对于电源供应电压vdd的变化变得更加敏感。也就是说，增加电源噪声感测电路1042的跨导。如图2与图3所示，当电源噪声感测电路1042的跨导增加，感测电流is及噪声消除电流icancel将会对供应电源噪声变得更加敏感。当噪声消除电流icancel对供应电源噪声变得更加敏感时，噪声消除电流icancel将会更有效率地补偿因供应电源噪声所造成的电源供
应电压vdd变化。换言之，噪声消除电路104可产生能够将供应电流imain之中由电源供应电压vdd所引入的噪声消除的噪声消除电流icancel并且可降低因电源供应噪声效应所影响到的电源供应电压变化，因而有效提升压控振荡器的电源电压抑制比、电源性能与功效。
43.进一步地，噪声消除电路104经配置以提供具低噪声或无噪声的偏置电流icoo至电流控制振荡器106。电流控制振荡器106经配置以从噪声消除电路104接收偏置电流icco并且根据偏置电流icoo电路104产生具一振荡频率的振荡信号vco_out。振荡信号vco_out的振荡频率可随偏置电流icco而变化。当采用了具低噪声或无噪声的偏置电流icoo，电流控制振荡器106将可产生不受电源供应电压vdd的变化所影响的稳定振荡信号vco_out，因而有效加强压控振荡器10的输出稳定度。此外，电流控制振荡器106还包括一振荡电容cvco。
44.请参考图5，图5为本发明实施例的噪声消除电路的第一变化实施例示意图。电源噪声感测电路1042经配置以响应于所述电源供应电压vdd的变化而产生感测电流以及产生偏置电压vb(即内部电压vint)。感测电流is可依据电源供应电压vdd与偏置电压vb(即内部电压vint)而决定。如图5所示，电源噪声感测电路1042包括一晶体管m7。晶体管m7可为p型金属氧化物半导体晶体管或其他具有类似的运作方式与功能的装置。晶体管m7的源极端耦接于电源供应电压vdd。晶体管m7的栅极端耦接于晶体管m1的栅极端来接收内部电压vint以做为偏置电压vb。晶体管m7的漏极端耦接于电流镜1044的晶体管m4以提供感测电流is。在一实施例中，晶体管m7的宽长比可与晶体管mp2的宽长比不同。晶体管m7的跨导可基于晶体管m7的宽长比而配置。当供应电源噪声被引入电源供应电压vdd时，若晶体管m7的跨导增加，噪声消除电流icancel及感测电流is将会对于电源供应电压vdd更加敏感。而当噪声消除电流icancel对于电源供应电压vdd变得更加敏感时，噪声消除电流icancel将会更有效率地补偿因供应电源噪声所造成的电源供应电压vdd变化，进而有效提升压控振荡器10的电源电压抑制比与功效。此外，感测电流is系基于电源供应电压vdd与偏置电压vb(即内部电压vint)所产生。内部电压vint是随着参考电流i2而变化。在一实施例中，晶体管m7的宽长比可与晶体管m1的的宽长比不同。通过调整晶体管m1与m7的宽长比可使参考电流i2与感测电流is不是成比例的。
45.请参考图6，图6为图2中电源噪声感测电路1042的第二实施例示意图。如图6所示，电源噪声感测电路1042包括一晶体管m8。晶体管m8可为n型金属氧化物半导体晶体管或其他具有类似的运作方式与功能的装置。晶体管m8的漏极端耦接于电源供应电压vdd。晶体管m8的栅极端耦接于晶体管m1的栅极端来接收内部电压vint做为偏置电压vb。晶体管m8的源极端耦接于电流镜1044的晶体管m4以提供感测电流is。在一实施例中，晶体管m8的宽长比可与晶体管mp2的宽长比不同。晶体管m8的跨导可基于晶体管m82的宽长比来配置。当供应电源噪声被引入电源供应电压vdd时，若晶体管m8的跨导增加，噪声消除电流icancel及感测电流is将会对于电源供应电压vdd更加敏感。在一实施例中，晶体管m8的宽长比可与晶体管m1的的宽长比不同。通过调整晶体管m1与m8的宽长比可使参考电流i2与感测电流is不是成比例的。
46.请参考图7，图7为图2中电源噪声感测电路1042的第三实施例的示意图。如图7所示，电源噪声感测电路1042包括晶体管m9及m10。晶体管m9的源极端耦接于电源供应电压vdd。晶体管m9的栅极端耦接于晶体管m1的栅极端以接收内部电压vint做为偏置电压vb。晶
体管m9的漏极端耦接于晶体管m10的源极端。晶体管m10的栅极端耦接于偏置电压vb1。晶体管m10的漏极端耦接于电流镜1044的晶体管m4以提供感测电流is。
47.图8为图2中电源噪声感测电路1042的第四实施例的示意图。如图8所示，电源噪声感测电路1042包括晶体管m11-m13以及一电流源802。晶体管m11的源极端耦接于电源供应电压vdd。晶体管m9的栅极端耦接于晶体管m1的栅极端来接收内部电压vint做为偏置电压vb。晶体管m11的漏极端耦接于晶体管m13的栅极端及晶体管m12的源极端。晶体管m13的源极端耦接于电源供应电压vdd。晶体管m13的漏极端耦接于电流源802及晶体管m12的栅极端。晶体管m12的漏极端耦接于电流镜1044的晶体管m4以提供感测电流is。
48.请参考图9，图9为图1中压控振荡器10的电路架构的另一实施例示意图。如图9所示，一种电压-电流转换电路变化设计被应用在压控振荡器90之中。图9所示的压控振荡器90的架构类似于图2所示的压控振荡器10的架构。图9的压控振荡器90与图2的压控振荡器10中具有相同名称之组件具有类似的运作方式与功能，该些组件的连结关系如图9所示。与图2不同的是，图9的压控振荡器90包括一电压-电流转换电路902。电压-电流转换电路902包括电流源9022与9024、一晶体管对9026及一电压产生电路9028。电流源9022经配置以根据输入电压vctrl产生一供应电流imain。电流源9024经配置以根据输入电压vctrl产生一参考电流i3。参考电流i3可以是与供应电流imain成比例的。例如，参考电流i3可以是供应电流imain的α倍(i3＝α*imain)，其中α表示电压-电流转换电路902的一电流增益，α可等于或小于1。电流源9022及9024可使用p型金属氧化物半导体晶体管来实现。晶体管对9026耦接于电流源9024。晶体管对9026包括晶体管mp3及mp4。例如，晶体管mp3及mp4可为金属氧化物半导体晶体管或其他具有类似功能的装置。晶体管mp3的漏极端耦接于电流源9024，且经配置以镜射参考电流i3。晶体管mp4经配置以输出一参考电流i4(被镜射的参考电流i3)。电压产生电路9028耦接于电流源9026及噪声消除电路104。电压产生电路9028经配置以提供电压-电流转换电路902的一内部电压vint至噪声消除电路104。在一实施例中，电压-电流转换电路902的电流增益α可等于或小于1，以及电流镜1044的电流增益(电流镜的电流比)β可等于或大于1。电压-电流转换电路902的电流增益α与电流镜1044的电流增益β的乘积可等于1。
49.综上所述，本发明实施例可产生能够将供应电流中由供应电源所引入的噪声消除掉的噪声消除电流，如此一来，电流控制振荡器将可根据低噪声或无噪声的偏置电流产生具正确振荡频率的振荡信号，因而有效提升压控振荡器的电源电压抑制比、电源性能与功效。
50.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。