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    一種振盪電路與相關方法；振盪電路於兩振盪端提供一對振盪訊號，兩振盪端間串聯一第一電容、一開關電路與一第二電容；開關電路接收一致能電壓以在第一電容與第二電容間導通，而此致能電壓大於振盪電路運作的電源電壓。
    公开号:TW201308879A
    申请号:TW100136820
    申请日:2011-10-11
    公开日:2013-02-16
    发明作者:Yen-Chung Chen；Tsai-Ming Yang；Jen-Tai Hsu
    申请人:Global Unichip Corp；Taiwan Semiconductor Mfg；
    IPC主号:H03B5-00
    专利说明:
    振盪電路與相關方法
    本發明是有關於一種振盪電路與相關方法，且特別是有關於一種在差動振盪端之間串聯電容與過壓致能(enabled by over-drive voltage)的開關電路以提昇品質因素、擴大振盪頻率範圍的振盪電路與相關方法。
    振盪電路可提供週期性振盪的振盪訊號或時脈，是通訊系統中不可或缺的構築方塊。
    請參照第1圖，其所示意的是一習知的多頻帶差動振盪電路10。振盪電路10的兩節點ns1與ns2為兩振盪端，輸出一對差動的振盪訊號。振盪電路10工作於電源電壓VDD與地端電壓VSS之間，設有兩電晶體M1與M2、電感L1與L2、電容CV1與CV2與K個電容切換單元Bp(1)至Bp(K)。電晶體M1與M2形成一回授放大器，電感L1與L2、電容CV1與CV2與電容切換單元Bp(1)至Bp(K)則形成放大器的電感電容(LC)負載。電容CV1與CV2為可變電容，其電容值受控於調整訊號Sfc。在電容切換單元Bp(1)至Bp(K)的第k個電容切換單元Bp(k)中(k等於1至K)，則設有一對電容C1(k)與C2(k)與一對作為開關的電晶體T1(k)與T2(k)。電容C1(k)與電晶體T1(k)耦接於節點ns1、n1(k)與地端電壓VSS之間，電容C2(k)與電晶體T2(k)則耦接於節點ns2、n2(k)與地端電壓VSS之間；電晶體T1(k)與T2(k)的閘極受控於一對應的控制訊號Sp(k)。
    對振盪電路10所提供的振盪訊號而言，其振盪頻率取決於振盪電路10中總電感值與總電容值的乘積L_total*C_total：振盪頻率可計算為1/(2*pi*sqrt(L_total*C_total))，其中pi為圓周率。總電感值L_total的大小由電感L1與L2主導，總電容值C_total則與電容CV1、CV2以及各電容切換單元Bp(1)至Bp(K)所提供的電容值有關。當電容切換單元Bp(k)的控制訊號Sp(k)等於電源電壓VDD而使電晶體T1(k)與T2(k)導通時，其電容C1(k)與C2(k)會分別貢獻電容值至節點ns1與ns2，使總電容值C_total增加；反之，當控制訊號Sp(k)等於地端電壓VSS而使電晶體T1(k)、T2(k)關閉不導通，則電容C1(k)與C2(k)就不再貢獻電容值至總電容值C_total。
    當電容切換單元Bp(1)至Bp(K)的控制訊號Sp(1)至Sp(K)固定時，改變可變電容CV1、CV2的類比性質調整訊號Sfc，振盪電路10的振盪頻率就會沿同一頻帶改變(例如第1圖所示的頻帶BF(j))。改變各電容切換單元Bp(k)所對應的數位性質控制訊號Sp(k)，振盪電路10提供的振盪頻率就可切換至不同的振盪頻帶BF(0)、BF(1)、...、BF(j)等至BF(J)。例如，若各控制訊號Sp(1)至Sp(K)皆等於地端電壓VSS，則振盪電路10的振盪頻率會隨調整訊號Sfc的改變而沿頻帶BF(0)變化。若某一控制訊號Sp(k)使對應電容切換單元Bp(k)導通而貢獻電容值，振盪頻率就會沿一較低頻的頻帶BF(1)變化，以此類推。振盪頻帶BF(0)至BF(J)涵蓋的頻率也就是振盪電路10的振盪頻率範圍。
    在衡量一振盪電路的性能時，品質因素(Q)是一個重要的性能參數。振盪電路的品質因素越高，代表其振盪頻率會更集中(分散的頻寬較窄)，且浪費的功耗也較少。品質因素會受限於串聯至電容的等效電阻；與電容串聯的電阻值越高，品質因素就越低。而在習知振盪電路10中，當電容切換單元Bp(k)中的電晶體T1(k)與T2(k)導通而使電容C1(k)與C2(k)貢獻電容值時，電晶體T1(k)/T2(k)的汲極源極間導通電阻就會在節點n1(k)/n2(k)串聯至電容C1(k)/C2(k)，導致振盪電路10的品質因素降低。
    為了提昇振盪電路10的品質因素，各電容切換單元Bp(k)中的電晶體T1(k)與T2(k)必須以尺寸(寬度)較大的電晶體來實現，以減少電晶體T1(k)與T2(k)的導通電阻。然而，尺寸較大的電晶體T1(k)與T2(k)也會形成較大的寄生電容，影響振盪電路10的總電容值C_total，導致振盪電路10的振盪頻率範圍受限，讓振盪頻率無法提高。若使用小尺寸的電晶體T1(k)與T2(k)，不僅品質因素受影響，振盪電路10的相位雜訊(phase noise)也會升高，導致更嚴重的振盪抖動(jitter)。
    因此，本發明將提出一種較佳的振盪電路與相關方法，以克服習知技術的缺點。
    本發明的目的之一是提供一種振盪電路，其係運作於一地端電壓與一電源電壓之間，並於一第一振盪端與一第二振盪端提供一對振盪訊號。振盪電路設有一或多個電容切換單元，各電容切換單元中設有一第一電容、一第二電容與一開關電路。第一電容耦接於第一振盪端與一第一節點之間，第二電容則耦接於第二振盪端與一第二節點之間。開關電路設有兩耦接端與一控制端；兩耦接端分別耦接於第一節點與第二節點，控制端接收一致能電壓以在該兩耦接端間導通，而此致能電壓大於電源電壓。控制端接收一失能電壓而停止於兩耦接端間導通，此失能電壓可以等於地端電壓。
    一實施例中，各電容切換單元對應於一位準偏移器(level shifter)，由位準偏移器提供致能電壓至各電容切換單元的開關電路。此位準偏移器設有一輸入端與一輸出端，輸出端耦接開關電路的控制端。位準偏移器於其輸入端接收一控制訊號並於其輸出端提供一對應的開關訊號；其中，控制訊號的電壓範圍係由地端電壓至電源電壓，而開關訊號的電壓範圍係由地端電壓至致能電壓。
    一實施例中，各電容切換單元的開關電路包括一開關電晶體，具有一閘極、一源極與一汲極，分別耦接開關電路的控制端與兩耦接端。
    一實施例中，各電容切換單元更設有一放電電路，耦接地端電壓與開關電路的兩耦接端；當開關電路導通兩耦接端時，放電電路將兩耦接端導通至地端電壓。反之，當開關電路停止導通兩耦接端時，放電電路也停止將兩耦接端導通至地端電壓。一實施例中，此放電電路包括一第一接地電晶體、一第二接地電晶體、一第一電阻與一第二電阻。開關電路的兩耦接端為第一耦接端與第二耦接端，而第一接地電晶體即耦接於第一耦接端與一第三節點之間，第二接地電晶體則耦接於第二耦接端與一第四節點之間。第一電阻耦接於第三節點與地端電壓之間，第二電阻則耦接於第四節點與地端電壓之間。
    本發明的又一目的是提供一種應用於一振盪電路的方法。振盪電路工作於一電源電壓與一地端電壓之間，於一振盪端提供一振盪訊號，並設有一開關電晶體與一電容串聯至該振盪端。而本發明方法包含有：提供一致能電壓，使此致能電壓高於電源電壓，並以此致能電壓導通開關電晶體。
    為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
    請參考第2圖，其所示意的係依據本發明一實施例的振盪電路20。振盪電路20工作於電源電壓VDD與地端電壓VSS之間，設有兩電晶體Ma與Mb、一電流源Is、兩電感La與Lb、兩電容CVa與CVb與K個電容切換單元B(1)至B(K)，K可以大於或等於1。兩節點nsa與nsb為兩振盪端，輸出一對差動的振盪訊號。振盪電路20為電感電容振盪電路；相較於其他架構的振盪電路(例如環式振盪器，ring oscillator)，電感電容振盪電路在給定的振盪頻率與功耗下具有較低的相位雜訊，振盪訊號的電壓範圍亦較大，振盪頻率也能突破製程的限制。
    在振盪電路20中，電晶體Ma與Mb可以是一對互相匹配的n通道金氧半電晶體，電晶體Ma與Mb的源極與體極(bulk)於節點nc1耦接至電流源Is的一端，電流源Is的另一端則耦接地端電壓Vss。電晶體Ma與Mb的汲極分別耦接節點nsa與nsb，閘極則分別耦接節點nsb與nsa，形成回授的差動放大器。電感La與Lb、電容CVa與CVb以及各電容切換單元B(1)至B(K)則提供電感電容負載。其中，電感La耦接於節點nc0與nsa之間，電感Lb則耦接於節點nc0與nsb之間。電容CVa與CVb可以是一對匹配的可變電容，串聯於節點nsa與nsb之間。
    電容切換單元B(1)至B(K)中的第k個電容切換單元B(k)設有一對電容Ca(k)與Cb(k)、一開關電路S(k)與一放電電路D(k)。電容Ca(k)與Cb(k)可以是一對互相匹配、具有相同電容值的電容；電容Ca(k)耦接於節點nsa與節點na(k)之間，電容Cb(k)則耦接於節點nsb與節點nb(k)之間。開關電路S(k)中設有一電晶體Tm(k)作為開關電晶體；電晶體Tm(k)可以是一n通道金氧半電晶體，其源極與汲極為兩耦接端，耦接於節點na(k)與nb(k)之間；閘極則為一控制端，耦接一開關訊號Sw(k)。當開關訊號Sw(k)使電晶體Tm(k)導通於節點na(k)與nb(k)之間，節點na(k)與nb(k)等效上會虛擬地共同耦接至地端電壓VSS，使節點nsa與nsb間的電容Ca(k)與Cb(k)可貢獻電容值至振盪電路20的總電容值。相對地，當開關訊號Sw(k)使電晶體Tm(k)關閉不導通時，節點na(k)與nb(k)浮接，電容切換單元B(k)的電容Ca(k)與Cb(k)就不貢獻電容值至總電容值。選擇性地分別使各電容切換單元B(1)至B(K)導通或不導通，振盪電路20就能提供多頻帶的振盪頻率。在不同的電容切換單元B(k1)與B(k2)中(k1不等於k2)，電容Ca(k1)與Ca(k2)的電容值可以是相同或不同的。
    為了降低電晶體Tm(k)的源極汲極間導通電阻以提高振盪電路20的品質因素，本發明在使電晶體Tm(k)導通時將以過壓(over-drive voltage)來致能電晶體Tm(k)。在振盪電路20中，各電容切換單元B(k)對應於一位準偏移器LV(k)(k等於1至K)。位準偏移器LV(k)工作於一直流電壓Vreg與地端電壓VSS之間，以節點ni為輸入端，接收一對應的控制訊號Sc(k)，並以節點nt為輸出端，提供開關訊號Sw(k)至開關電路S(k)。其中，控制訊號Sc(k)為數位性質的訊號，電壓範圍係由地端電壓VSS至電源電壓VDD；而電壓Vreg即為過壓，其電壓值高於電源電壓VDD。位準偏移器LV(k)即是要依據控制訊號Sc(k)提供同步的開關訊號Sw(k)，並使開關訊號Sw(k)的電壓範圍擴大，由地端電壓VSS至電壓Vreg。
    在位準偏移器LV(k)的運作下，當控制訊號Sc(k)的電壓相當於電源電壓VDD時，開關訊號Sw(k)的電壓會等於電壓Vreg，以電壓Vreg來導通電晶體Tm(k)；由於電壓Vreg高於電源電壓VDD，故可加強電晶體Tm(k)的導通程度，減少其導通電阻。當控制訊號Sc(k)的電壓為地端電壓VSS時，開關訊號Sw(k)的電壓也等於地端電壓VSS，以使電晶體Tm(k)關閉。
    第2圖中也示意了位準偏移器LV(k)的一種實施例。位準偏移器LV(k)內可設有兩反相器Iva與Ivb，以及電晶體Pa、Pb、Na與Nb。反相器Iva工作於電源電壓VDD與地端電壓VSS之間，於節點ni耦接控制訊號Sc(k)，並輸出反相的訊號至電晶體Nb的閘極。電晶體Pa與Pb可以是匹配的p通道金氧半電晶體，兩電晶體的源極與體極耦接電壓Vreg，閘極分別耦接節點nvb與nva，汲極則分別耦接節點nva與nvb。電晶體Na與Nb可以是匹配的n通道金氧半電晶體，兩電晶體的源極與體極耦接地端電壓VSS，汲極則分別耦接節點nva與nvb。電晶體Na的閘極於節點ni耦接控制訊號Sc(k)。反相器Ivb工作於電壓Vreg與地端電壓VSS之間，將節點nva的訊號反相為節點nt的開關訊號Sw(k)。電壓Vreg可由一穩壓器(regulator)提供，或由一電荷泵(charge pump)提供。
    在各電容切換單元B(k)中，放電電路D(k)會與開關電路S(k)搭配，一起協調運作。當控制訊號Sw(k)以過壓致能開關電路S(k)而使電晶體Tm(k)導通時，放電電路D(k)可為節點na(k)提供一個耦接至地端電壓VSS的電阻性導電路徑，同樣也為節點nb(k)提供一個耦接至地端電壓VSS的電阻性導電路徑。放電電路D(k)的電阻性導電路徑可將節點na(k)與nb(k)累積的電荷放電至地端電壓VSS，使節點na(k)與nb(k)的電壓能更趨近地端電壓VSS，輔助開關電路S(k)的虛擬接地，亦可擴大電晶體Tm(k)的閘極源極間跨壓與閘極汲極間跨壓，增進電晶體Tm(k)的導通程度，減少電晶體Tm(k)的導通電阻。相對地，當開關電路S(k)不導通時，放電電路D(k)也會停止導通其電阻性導電路徑，讓節點na(k)與nb(k)浮接。
    第2圖中亦示意了放電電路D(k)的一種實施例。放電電路D(k)中可設有兩電晶體Ta(k)與Tb(k)與兩電阻Ra(k)與Rb(k)。作為接地電晶體的電晶體Ta(k)與Tb(k)可以是兩匹配的n通道金氧半電晶體，閘極共同耦接一放電訊號Sg(k)；電晶體Ta(k)的汲極與源極分別耦接節點na(k)與nd(k)，電晶體Tb(k)的汲極與源極則分別耦接節點nb(k)與ne(k)。電阻Ra(k)與Rb(k)可以是一對匹配的電阻，電阻Ra(k)耦接於節點nd(k)與地端電壓VSS之間，電阻Rb(k)則耦接於節點ne(k)與地端電壓VSS之間。放電訊號Sg(k)可以是控制訊號Sc(k)，也可以是與控制訊號Sc(k)或開關訊號Sw(k)同相、同步的訊號。電阻Ra(k)與Rb(k)可以是數千歐姆的高電阻值、小尺寸電阻。在放電電路D(k)的另一種實施例中，亦可取消電阻Ra(k)與Rb(k)，讓電晶體Ta(k)與Tb(k)的源極直接耦接至地端電壓VSS。
    相較於第1圖中習知振盪電路10的各電容切換單元Bp(k)，在本發明振盪電路20的各電容切換單元B(k)中，電容Ca(k)、開關電路S(k)與電容Cb(k)係串聯於節點nsa與nsb之間，在電路架構上已經可以減少電晶體Tm(k)的導通電阻影響。請參考第3圖，其係比較第1圖中習知電容切換單元Bp(k)與第2圖中本發明電容切換單元B(k)。在電容切換單元Bp(k)中，當電晶體T1(k)與T2(k)導通時，各電容C1(k)與C2(k)分別串聯至一導通電阻Ron。相較之下，在本發明電容切換單元B(k)中，當電晶體Tm(k)導通而虛擬接地時，電晶體Tm(k)的導通電阻Ron等效上會由電容Ca(k)與Cb(k)均分，故每一電容只會串聯到一半的電阻Ron/2。因此，在本發明的電容切換單元B(k)中，電容Ca(k)、電晶體Tm(k)與電容Cb(k)的串聯架構本身即能協助維持高品質因素。
    再者，由於本發明係以高於電源電壓VDD的過壓致能電壓Vreg來導通各電容切換單元B(k)中的電晶體Tm(k)，故能更進一步地有效限制電晶體Tm(k)的導通電阻，使本發明振盪電路20能維持高品質因素。既然能有效控制電晶體Tm(k)的導通電阻而維持高品質因素，電晶體Tm(k)的尺寸就可以盡量縮小，使電晶體Tm(k)的寄生電容減少，進而擴大本發明振盪電路20的振盪頻率範圍，使振盪電路20能提供更高的振盪頻率。因為小尺寸電晶體Tm(k)能耐受更高的過壓，故在對電晶體Tm(k)縮減尺寸以降低其寄生電容時，又能進一步以更高的過壓來減少其導通電阻。因此，本發明不僅可以維持高品質因素，亦可有效擴大振盪頻率範圍。
    此外，在本發明振盪電路20的各電容切換單元B(k)中，放電電路D(k)的高電阻值電阻Ra(k)與Rb(k)可形成低通濾波器，由基底(substrate)耦合至電感電容負載的雜訊可由此低通濾波器減抑、濾除。
    總結來說，相較於習知技術，本發明不僅可維持高品值因素、低相位雜訊與低抖動，還可擴大振盪頻率的範圍，並隔離基底耦合之雜訊。本發明振盪電路可應用於時脈產生/合成與鎖相器等應用。
    綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
    10、20．．．振盪電路
    Bp(.)、B(.)．．．電容切換單元
    S(.)．．．開關電路
    D(.)．．．放電電路
    LV(.)．．．位準偏移器
    CVa-CVb、Ca(.)-Cb(.)、CV1-CV2、C1(.)-C2(.)．．．電容
    L1-L2、La-Lb．．．電感
    Ma-Mb、Ta(.)-Tb(.)、Tm(.)、Pa-Pb、Na-Nb、T1(.)-T2(.)．．．電晶體
    Iva、Ivb．．．反相器
    n1(.)-n2(.)、ns1-ns2、ni、nt、na(.)-nb(.)、nd(.)-ne(.)、nsa-nsb、nc0-nc1、nva-nvb．．．節點
    Ra(.)、Rb(.)．．．電阻
    VDD．．．電源電壓
    VSS．．．地端電壓
    Vreg．．．電壓
    Sc(.)、Sp(.)．．．控制訊號
    Sw(.)．．．開關訊號
    Sg(.)．．．放電訊號
    Sfc．．．調整訊號
    Is．．．電流源
    BF(.)．．．頻帶
    Ron．．．電阻
    第1圖示意習知技術的振盪電路。
    第2圖示意的係依據本發明一實施例的振盪電路。
    第3圖比較第1圖與第2圖中的電容切換單元。
    20．．．振盪電路
    B(.)．．．電容切換單元
    S(.)．．．開關電路
    D(.)．．．放電電路
    LV(.)．．．位準偏移器
    CVa-CVb、Ca(.)-Cb(.)．．．電容
    La、Lb．．．電感
    Ma-Mb、Ta(.)-Tb(.)、Tm(.)、Pa-Pb、Na-Nb．．．電晶體
    Iva、Ivb．．．反相器
    ni、nt、na(.)-nb(.)、nd(.)-ne(.)、nsa-nsb、nc0-nc1、nva-nvb．．．節點
    Ra(.)、Rb(.)．．．電阻
    VDD．．．電源電壓
    VSS．．．地端電壓
    Vreg．．．電壓
    Sc(.)．．．控制訊號
    Sw(.)．．．開關訊號
    Sg(.)．．．放電訊號
    Is．．．電流源
    权利要求:
    Claims (8)
    [1] 一種振盪電路，運作於一地端電壓與一電源電壓之間，並於一第一振盪端與一第二振盪端提供一對振盪訊號；該振盪電路包含：一第一電容，耦接於該第一振盪端與一第一節點之間；一第二電容，耦接於該第二振盪端與一第二節點之間；一開關電路，設有兩耦接端與一控制端；該兩耦接端分別耦接於該第一節點與該第二節點，該開關電路於該控制端接收一致能電壓以在該兩耦接端間導通，其中該致能電壓大於該電源電壓。
    [2] 如申請專利範圍第1項所述的振盪電路，更包含：一位準偏移器(level shifter)，設有一輸入端與一輸出端，該輸出端耦接該控制端；該位準偏移器於該輸入端接收一控制訊號並於該輸出端提供一對應的開關訊號，其中該控制訊號的電壓範圍係由該地端電壓至該電源電壓，而該開關訊號的電壓範圍係由該地端電壓至該致能電壓。
    [3] 如申請專利範圍第1項所述的振盪電路，其中該開關電路包含：一開關電晶體，具有一閘極、一源極與一汲極，分別耦接該控制端與該兩耦接端。
    [4] 如申請專利範圍第1項所述的振盪電路，更包含：一放電電路，耦接於該兩耦接端與該地端電壓；當該開關電路導通該兩耦接端時，該放電電路將該兩耦接端導通至該地端電壓。
    [5] 如申請專利範圍第4項所述的振盪電路，其中，當該開關電路停止導通該兩耦接端時，該放電電路停止將該兩耦接端導通至該地端電壓。
    [6] 如申請專利範圍第4項所述的振盪電路，其中該兩耦接端為一第一耦接端與一第二耦接端，而該放電電路包含：一第一接地電晶體，耦接於該第一耦接端與一第三節點之間；一第二接地電晶體，耦接於該第二耦接端與一第四節點之間；一第一電阻，耦接於該第三節點與該地端電壓之間；以及一第二電阻，耦接於該第四節點與該地端電壓之間。
    [7] 如申請專利範圍第1項所述的振盪電路，其中該開關電路於該控制端接收一失能電壓而停止導通於該兩耦接端之間。
    [8] 一種應用於一振盪電路的方法，該振盪電路工作於一電源電壓與一地端電壓之間，於一振盪端提供一振盪訊號，並設有一開關電晶體與一電容串聯至該振盪端；而該方法包含有：提供一致能電壓，該致能電壓高於該電源電壓；以及以該致能電壓導通該開關電晶體。
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    US20130038399A1|2013-02-14|
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    引用文献:
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    TW202017318A|2018-10-16|2020-05-01|財團法人工業技術研究院|轉導控制電路|
    法律状态:
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    US13/208,539|US8400226B2|2011-08-12|2011-08-12|Oscillation circuit and associated method|
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