专利名称：噪声滤波器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种噪声滤波器，特别是有关于一种利用传输线的特 性来消除振荡器噪声的噪声滤波器。
背景技术：
振荡器属于通讯系统中接收器(Receiver)的一部份，在通讯系统中 扮演着将讯号升降频的功能。振荡器的所有规格中，最重要的项目为 相位噪声。相位噪声的好坏直接影响接收器的讯号噪声比(Signal to noise ratio)、邻频干扰，发射器的频宽等特性。现今通讯系统的走向为 高频率、多频段以达到高传输速率的要求，因此适用于高频，且具有
多种频带切换的低相位噪声振荡器在系统中扮演关键性的角色。集成 电路中，振荡器常以交互回授的电感电容谐振(Cross-coupleLCtank)方 式实现，称为差动式LC振荡器，此种方式的振荡器比环形振荡器(Ring oscillator)具有较低的相位噪声。在要求日益严苛的通讯系统中，为同 时满足低功率损耗及高讯号噪声比，低的相位噪声更加重要，也因此 产生对差动式LC振荡器相位噪声做抑制的电路架构，泛称噪声滤波器 (Noise filter)。
目前已发表用于差动式LC振荡器中的噪声滤波器皆以单一电感 电容形成带拒共振腔方式实现，固定的电感及电容值限制其只适用于 单一频带，无法同时满足多频段的操作。噪声滤波器抑制相位噪声的 多寡受两因素所限电感品质因素(Q factor: Quality factor)与带拒共振 腔的频率准确度。随着操作频率的增加，集成电路中的寄生元件效应 愈加明显，降低了电感的品质因素与适用频率范围，且带拒共振腔的 共振频率亦随此寄生效应而漂移。因此以此方式实现的噪声滤波器并 不适用高频、多频段的系统。
请参阅图1A,为差动式LC振荡器不具电流源的电路架构图，及 图1B，为图1A的输出电压及负载阻抗波形图。当振荡发生时，差动 输出的两端具有高摆幅(high swing)的电压输出，使得其中晶体管Q2 的栅极-漏极电压差(VGD)远大于临界电压(Vt， threshold voltage),而进 入三极区(triode region);另一个晶体管Ql的栅极-漏极电压差远小于 -Vt，近似关掉(off)的状态。当差动输出电压愈大，操作在三极区的 晶体管Q2的信道阻抗(rds)愈小，形成一共振腔(resonator)对地的交流 电流路径，造成共振腔的能量损耗。在一完整的振荡周期中，差动对 中的两个晶体管Ql、 Q2交相操作在三极区，此种机制使得晶体管QK Q2的信道阻抗以两倍振荡频率的方式成为共振腔对地的负载，降低了 振荡周期中的平均对地阻抗，即为降低了共振腔的品质因素，亦即提 高振荡器的相位噪声。
请参阅图2A，为差动式LC振荡器具电流源的电路架构图，及图 2B，为图2B的输出电压及负载阻抗波形图。当振荡发生时，即使其中 之一的晶体管Ql或Q2进入三极区，因为理想电流源I的输入阻抗为 无限大，所以对于交流电流而言，并无一到地的流通路径。也因此工 作在三极区晶体管(如图2A的Q2)的低信道阻抗并不会成为共振腔 的负载，意即其品质因素并不会因此降低。电流源I在差动式LC振荡 器中具有的功能除了提供直流偏压外，且提供差动对到地的高阻抗值。 在平衡电路中，单数谐波(odd harmonic)的讯号沿差动路径(differential path)流动，偶数谐波(even harmonic)的讯号沿共模路径(common-mode path)流动。
然而图1A所述的电路架构中，共振腔品质因素降低的机制可视为 差动对共源极(source)共模点对偶数阶谐波而言为低阻抗值所致，因此 图1A的电流源I仅需对振荡频率的偶数谐波提供一高阻抗即可，而偶 数阶谐波中又以二次谐波2co。为主成分，故一般皆只针对二次谐波设计 高阻抗电路，如此即可不使共振腔品质因素降低，以达到降低相位噪
声的目的。
接着请参阅图3，为具带拒共振腔噪声滤波器的lc振荡器的电路
架构图。如图3所示，为目前在差动式lc振荡器中实现噪声滤波器的 常见作法，将电流源m并联一大电容c1到地，形成电流源m本身噪 声的滤波路径，同时在差动对源极共模点cm与电流源m之间加入电 感l，使其与共模点cm处所有的寄生电容c2形成一频率为25。的带 拒共振腔，意即在共模点cm形成对25。的高阻抗值，而带拒共振腔的 谐振频率准确度与电感值的品质因素影响其滤波效能。在极高频的应 用下，电感值可能会小于lnH，不易以一般的螺旋结构(spird)实现感 值小又准确且高品质因素的电感。此种设计方式必须准确掌握电感的 特性与共模点处的寄生电容，否则噪声滤波特性会有所受限。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺陷，提出适用于差动 式lc振荡器的噪声滤波器架构，其不同于现有以电感、电容合成带拒 共振腔的方式，为一种包含传输线(Transmission line)所构成的噪声 滤波器架构。本发明利用传输线阻抗转换的原理，于差动对共模点处 产生一振荡频率二次谐波的高阻抗点，达到噪声滤波器的功能。其噪 声滤波效能与传输线长有关，根据不同的频率应用可方便且准确地算 出其应有的长度，更可以多段组合的方式达到多频带的应用目的。
为了达成上述目的，本发明提供一种噪声滤波器，连接一电感电 容振荡器，该噪声滤波器包括 一传输线，连接该电感电容振荡器； 一直流偏压电路，连接该传输线，提供一偏压电流；及一电容，该电 容的一端连接于该传输线与该直流偏压电路间，该电容的另一段接地， 提供该传输线交流接地的路径；其中该传输线的长度为该电感电容振 荡器的二次谐波的1/4波长，由此该传输线对该电感电容振荡器的二次 谐波形成高阻抗。
为了达成上述目的，本发明再提供一种噪声滤波器，连接一电感 电容振荡器，该噪声滤波器包括数段传输线，该些传输线彼此串联 并连接该电感电容振荡器； 一直流偏压电路，与该些传输线串连，提 供一偏压电流，其中该些传输线设置于该直流偏压电路与该电感电流 振荡器间；及数个开关，该些开关的一端对应连接于该些传输线，该 些开关的另一端个别通过一电容接地，提供该些传输线交流接地的路 径；其中通过该些开关的切换，使该电感电容振荡器至交流接地点间 的该些传输线的长度为该电感电容振荡器的二倍振荡频率的1/4波长， 由此对该电感电容振荡器所产生的振荡频率的二次谐波形成高阻抗。
为了达成上述目的，本发明又提供一种噪声滤波器，连接一电感 电容振荡器，该噪声滤波器包括数段传输线，该些传输线彼此串联 并连接该电感电容振荡器；及数个开关，该些开关的一端通过一电容 接地，该些开关的另一段对应连接该些传输线，供该些传输线交流接 地的路径；其中通过该些开关的切换，使该电感电容振荡器至交流接 地点间的该些传输线的长度为该电感电容振荡器的二倍振荡频率的1/4 波长，由此对该电感电容振荡器所产生的振荡频率的二次谐波形成高 阻抗。
为了达成上述目的，本发明再提供一种噪声滤波方法，包括首先 取得一电感电容振荡器的震荡频率；接着根据该振荡频率提供一段长
度的传输线，以对该振荡频率的二次谐波形成高阻抗，其中该段传输 线的长度为两倍振荡频率的1/4波长。
为了能更进一步了解本发明为达成预定目的所采取的技术、手段 及功效，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，相信本发明的目 的、特征与特点，当可由此得一深入且具体的了解，然而所附图式仅 提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。
图1A为差动式LC振荡器不具电流源的电路架构图1B为图1A的输出电压及负载阻抗波形图2A为差动式LC振荡器具电流源的电路架构图2B为图2A的输出电压及负载阻抗波形图3为具带拒共振腔噪声滤波器的LC振荡器的电路架构图4为传输线示意图5为一端接地的传输线上电压、电流与阻抗的关图； 图6A为本发明的具单一频段传输线噪声滤波器的LC振荡器的电
路图6B为本发明的另一具单一频段传输线噪声滤波器的LC振荡器 的电路图7为本发明的具多频段传输线噪声滤波器的LC振荡器的电路
图8A为本发明的具多频段传输线噪声滤波器的P-MOS交互回授 的LC振荡器的电路图8B为本发明的另一具多频段传输线噪声滤波器的P-MOS交互 回授的LC振荡器的电路图9为具多频段传输线噪声滤波器的互补式交互回授的LC振荡 器的电路图。
图中符号说明Ql、 Q2、 Ml、 M2、 VI、 V2 I、 M、 M3
Cl、 C2、 C3、…、Cn L、 Ll、 L2
SW1、 SW2、…、SWn TL、 TL1、 TL2、…、TLn Vc、 VDD、 Vt CM、 CM1、 CM2 61、 71
,体管
日日' 电流源 电容 电感 开关 传输线 电源
差动对源极共模点
N-MOS交互回授的LC振荡器 62A、 62B 单一频段传输线噪声滤波器
72、 82A、 82B 多频段传输线噪声滤波器
721、 821 滤波电路
63、 81 P-MOS交互回授的LC振荡器
822 直流偏压电路
91 互补式交互回授的LC振荡器
92 第一多频段传输线噪声滤波器
93 第二多频段传输线噪声滤波器
具体实施例方式
首先请参阅图4所示，为传输线示意图，用于说明传输线电路阻 抗特性，传输线输入阻抗Z,."—般表示为
<formula>formula see original document page 10</formula>z。为传输线特性阻抗，^为终端阻抗，l为传输线长度。当传输线 一端接地，亦即终端阻抗^为0时，输入阻抗简化为2,. = 肌^。 当传输线长度l为1/4波长(入/4)时传输线输入阻抗Z,."-oo，形成高 输入阻抗的状态。
请复参阅图5所示，为一端接地的传输线上电压、电流与阻抗的 关图，在zi处电压V为零，电流I为最大值；在l/4波长奇数倍位置 时，电压V为最大值，电流I为零，亦即阻抗Z将趋近于无限大，呈 开路状态。将此原理应用于噪声滤波器的实现上，可以25。的l/4波长 传输线与一接地电容达成高阻抗的形式。
接着请参阅图6A，为本发明的具单一频段传输线噪声滤波器的 LC振荡器的电路图，N-MOS交互回授的LC振荡器61中晶体管Ml 与M2为交互回授的差动对，电容Cl、 C2、电感Ll、 L2与晶体管VI、 V2形成振荡器共振腔，决定振荡频率co。。单一频段传输线噪声滤波器 62A包括传输线TL、接地电容C3及电流源M3，其中电流源M3 (直
流偏压电路)提供振荡器61稳定的偏压电流，接地电容C3兼具电流
源M3自身噪声的滤波功能及提供传输线TL交流接地的作用。置于差 动对共模点CM与电流源M3间的传输线TL，其长度为此振荡器61 二次谐波26。的1/4波长。若接地电容C3够大，根据前述传输线原理， 传输线TL的接地电容C3端为交流讯号短路接地点(AC short to ground),相当于上述的终端阻抗为0处，经过25。的1/4波长传输线 TL的阻抗转换，使得差动对共模点CM处为25。交流讯号开路点(AC open),亦即达到对二次谐波于此处有一高阻抗的目的，进而使得共振 腔在振荡周期中，不会因差动对信道阻抗的负载效应使共振腔品质因 素降低、振荡器相位噪声增加。
承上所述，请附参阅图6B,为本发明另一具单一频段传输线噪声 滤波器的LC振荡器的电路图，其为一P-MOS交互回授的LC振荡器 63连接一单一频段传输线噪声滤波器62B。同上述，单一频段传输线 噪声滤波器62B包括传输线TL、交流接地电容C3及电流源M3，其中 电流源M3 (直流偏压电路)提供振荡器63稳定的偏压电流，交流接 地电容C3兼具电流源M3自身噪声的滤波功能及提供传输线TL交流 接地的作用。置于差动对共模点CM与电流源M3间的传输线TL,其 长度为此振荡器63二次谐波25。的1/4波长。同理，经过25。的l/4波 长传输线TL的阻抗转换，使得差动对共模点CM处为2S。交流讯号开 路点(AC open)，即可于此处对二次谐波提供一高阻抗。
请参阅图7，为本发明的具多频段传输线噪声滤波器的LC振荡器 的电路图，N-MOS交互回授的LC振荡器71中晶体管M1与M2为交 互回授的差动对，电容C1、 C2、电感L1、 L2与晶体管V1、 V2形成 振荡器共振腔，决定振荡频率co。。多频段传输线噪声滤波器72包括电 流源M3及滤波电路721，电流源M3 (直流偏压电路)提供振荡器71 稳定的偏压电流，滤波电路721则由传输线TL1、 TL2...、 TLn与电容 Cl、 C2 …、Cn及开关SWl、 SW2…、SWn所构成。假设振荡器71 需产生fl、 f2...、 fn(fl>f2>.....〉fn)的多频段频率，其传输线长度与振
荡频率的关系如下
<formula>formula see original document page 12</formula>
当振荡频率为最高频段fl时，开关SW1关上，其它开关(SW2 SWn) 打开，传输线TL1经由SW1接至接地电容Cl，在Al点形成交流接地， 在满足公式(l)的情况下，传输线TL1为两倍振荡频率2fl的1/4波长， 因此形成fl频段的噪声滤波器。Al为交流接地，所以后级的传输线 (TL2.....、 TLn)并不会对传输线TL1形成串接而影响其特性。
当振荡频率为次高频段f2时，开关SW2关上，其它开关(SW1， SW3 SWn)打开，传输线TL1串接传输线TL2经由开关SW2接至接 地电容C2，在A2点形成交流接地，在满足公式(l)的情况下，传输线 Ll串接传输线TL2总长度为两倍振荡频率2f2的1/4波长，因此形成 f2频段的噪声滤波器。
当振荡频率为最低频段fn时，开关SWn关上，其它开关(SW1 SWn-l)打开，传输线TL1串接至传输线TLn经由开关SWn接至接地 电容Cn，在An点形成交流接地，在满足公式(l)的情况下，传输线TL1 串接至传输线TLn总长度为两倍振荡频率2fn的1/4波长，因此形成fn 频段的噪声滤波器。
承上述，电容C1 、 C2…、Cn除作为各段传输线交流接地用， 由于在任一频段皆会有一开关关上，所以也同时适用于电流源M3 (直 流偏压电路)本身的噪声滤波之用。对于直流电流而言，无论任一频 段的操作模式，电流路径皆是TL1串接至TLn，所以直流电流并不会 因不同频段的切换而有所不同。对于不同的n个振荡频率而言，皆可
经由适当的设计n段传输线长度，以此种模式达成高频、多频段的噪 声滤波功能。
然而，本发明利用传输线形式所构成的噪声滤波的电路架构不限
于如图6及图7所述的N-M0S交互回授的LC振荡器，接着请参阅图 8A,为本发明的具多频段传输线噪声滤波器的P-MOS交互回授的LC 振荡器的电路图。图中P-MOS交互回授的LC振荡器81连接一多频 段传输线噪声滤波器82A，其中多频段传输线噪声滤波器82A包括一 滤波电路821及一直流偏压电路822，而滤波电路821类似图7的多频 段传输线噪声滤波器721架构，其包括由传输线TL1 、 TL2…、TLn与 电容C1 、 C2、 Cn及开关SWl 、 SW2…、SWn所组成，而直流 偏压电路822如图8A所示可为一电流镜电路。由于P-MOS交互回授 的LC振荡器81的电源架构的关系，所以在直流偏压电路部份将对应 作出相关变化，但各传输线、电容及开关的动作原理同图7的动作说 明。
而本发明考虑到P-MOS交互回授的LC振荡器81的电源架构问 题，再提供另一多频段传输线噪声滤波器架构，如图8B所示，其为本 发明的另一具多频段传输线噪声滤波器的P-MOS交互回授的LC振荡 器的电路图，多频段传输线噪声滤波器82B与图8A的多频段传输线噪 声滤波器82A做比较，较大的不同是各传输线TL1、 TL2…、TLn通过 开关SW1、 SW2…、SWn的切换共享一个电容Cl，而电源VDD连 接于开关与电容Cl间。然而其工作原理亦同前述，根据振荡器81产 生的频率来切换特定开关，以选择适当传输线长度(振荡器81两倍振 荡频率的l/4波长)来实现噪声滤波。
接着本发明再揭露一种适用于互补式交互回授的LC振荡器的多 频段传输线噪声滤波器架构，请参阅图9，为具多频段传输线噪声滤波 器的互补式交互回授的LC振荡器的电路图。互补式交互回授的LC振 荡器91的差动对共模点CM1连接一第一多频段传输线噪声滤波器92，
而差动对共模点CM2连接一第二多频段传输线噪声滤波器93。由图9 中可发现第一多频段传输线噪声滤波器92如图8A所述的多频段传输 线噪声滤波器82A (亦可为图8B所述的多频段传输线噪声滤波器 82B)，而第二多频段传输线噪声滤波器93为如图7所述的多频段传 输线噪声滤波器72，所以其动作原理亦如前所述，所以可知第一多频 段传输线噪声滤波器92及第二多频段传输线噪声滤波器93根据互补 式交互回授的LC振荡器91所产生的频率f，通过开关的切换来选择适 当的传输线长度，在满足前述公式(l)的情况下，传输线总长度为两倍 振荡频率2f的1/4波长，于差动对共模点CM1、 CM2形成两倍振荡频 率2f的高阻抗点，由此以滤除频率f的噪声。
然而，前述各传输线噪声滤波器中的传输线可为任何形式实现， 包括带状线(strip line)、微带线(microstrip line)或共平面波导(coplanar waveguide)等，而直流偏压电路与开关亦可为任何形式实现的，包括 MOS、 MESFET、 BJT、电阻式二极管等。
综上所述可知，本发明的传输线噪声滤波器可适用于各种不同形 态的LC振荡器，其利用设计传输线长度为振荡器两倍振荡频率的1/4 波长，来达到噪声滤波的效果。
以上所述，仅为本发明其中的较佳实施例，并非用来限定本发明 的实施范围；即凡依本发明权利要求书所作的均等变化与修饰，皆为 本发明专利范围所涵盖。
权利要求
1.一种噪声滤波器，其特征在于，其连接一电感电容振荡器，该噪声滤波器包括一传输线，连接该电感电容振荡器；一直流偏压电路，连接该传输线，提供一偏压电流；及一电容，该电容的一端连接于该传输线与该直流偏压电路间，该电容的另一段交流接地，提供该传输线交流接地的路径；其中该传输线的长度为该电感电容振荡器的二次谐波1/4波长的奇数倍长度，由此该传输线对该电感电容振荡器的二次谐波形成高阻抗。
2. 如权利要求l所述的噪声滤波器，其特征在于，该传输线为带 状线、微带线或共平面波导。
3. 如权利要求l所述的噪声滤波器，其特征在于，该直流偏压电 路以MOS、 MESFET、 BJT或电阻式二极管实现。
4. 如权利要求1所述的噪声滤波器，其特征在于，该电感电容振 荡器为N-MOS交互回授的电感电容振荡器、P-MOS交互回授的电感 电容振荡器或互补式交互回授的电感电容振荡器。
5. —种噪声滤波器，其特征在于，其连接一电感电容振荡器，该 噪声滤波器包括-一直流偏压电路，用于提供一偏压电流；数段传输线，该些传输线彼此串联，且设置于该直流偏压电路与 该电感电流振荡器间；及数个开关，该些开关的一端对应连接于该些传输线，该些开关的 另一端个别通过一电容交流接地，提供该些传输线交流接地的路径；其中通过该些开关的切换，使该电感电容振荡器至交流接地点间 的该些传输线的长度为该电感电容振荡器的二倍振荡频率的1/4波长， 由此对该电感电容振荡器所产生的振荡频率的二次谐波形成高阻抗。
6. 如权利要求5所述的噪声滤波器，其特征在于，该些传输线为带状线、微带线或共平面波导。
7. 如权利要求5所述的噪声滤波器，其特征在于，该直流偏压电 路及该些开关分别以MOS、 MESFET、 BJT或电阻式二极管实现。
8. 如权利要求5所述的噪声滤波器，其特征在于，该电感电容振 荡器为N-MOS交互回授的电感电容振荡器、P-MOS交互回授的电感 电容振荡器或互补式交互回授的电感电容振荡器。
9. 如权利要求5所述的噪声滤波器，其特征在于，该电感电容振 荡器为P-MOS交互回授的电感电容振荡器，而该直流偏压电路为一电 流镜电路。
10. —种噪声滤波器，其特征在于，其连接一电感电容振荡器， 该噪声滤波器包括数段传输线，该些传输线彼此串联并连接该电感电容振荡器；及 数个开关，该些开关的一端通过一电容交流接地，该些开关的另 一段对应连接该些传输线，供该些传输线交流接地的路径；其中通过该些开关的切换，使该电感电容振荡器至交流接地点间 的该些传输线的长度为该电感电容振荡器的二倍振荡频率的1/4波长， 由此对该电感电容振荡器所产生振荡频率的的二次谐波形成高阻抗。
11. 如权利要求IO所述的噪声滤波器，其特征在于，该些传输线 为带状线、微带线或共平面波导。
12. 如权利要求IO所述的噪声滤波器，其特征在于，该些开关以 MOS、 MESFET、 BJT或电阻式二极管实现。
13. 如权利要求IO所述的噪声滤波器，其特征在于，该电感电容 振荡器为P-MOS交互回授的电感电容振荡器或互补式交互回授的电 感电容振荡器。
14. 如权利要求IO所述的噪声滤波器，其特征在于，该些开关与 该电容间设置有一电压源。
15. —种噪声滤波方法，其特征在于，包括 取得一电感电容振荡器的震荡频率；及根据该振荡频率提供一段长度的传输线，以对该振荡频率的二次 谐波形成高阻抗，其中该段传输线的长度为两倍该振荡频率的1/4波 长。
16. 如权利要求15所述的噪声滤波方法，其特征在于，该段传输 线的长度，利用切换数个开关，以通过该些开关个别所对应的电容提 供一交流接地点来调整。
17. 如权利要求15所述的噪声滤波方法，其特征在于，该电感电 容振荡器为P-MOS交互回授的电感电容振荡器、N-MOS交互回授的 电感电容振荡器或互补式交互回授的电感电容振荡器。
全文摘要
本发明涉及一种噪声滤波器，其提供一段传输线，而通过传输线长度的调整及其特性，对LC振荡器的二次谐波产生高阻抗以消除LC振荡器的噪声。噪声滤波器根据LC振荡器的振荡频率来控制数个开关的切换，由此提供一交流接地点来调整传输线的长度；所以本发明的噪声滤波器可针对各振荡频率个别提供一适当长度的传输线，再利用传输线的特性来消除LC振荡器的噪声。
文档编号H03H7/01GK101364787SQ200710139980
公开日2009年2月11日 申请日期2007年8月7日 优先权日2007年8月7日
发明者吴汉豪 申请人:立积电子股份有限公司