振荡信号产生电路的制作方法

1.本发明是关于一种振荡信号产生电路，特别是关于一种使用反馈电路来消除噪声的振荡信号产生电路。


背景技术：

2.振荡器在产生振荡信号时，需要稳压电路与偏压电流源来执行操作，其中稳压电路用于提供振荡器所需的供应电压，偏压电流源用于提供振荡器的偏压电流。然而，稳压电路的供应电压源、偏压电流源与振荡器所在的芯片均会产生耦合在振荡信号中的噪声，使振荡信号的相位噪声变大。当降低振荡器的敏感增益时，耦合在振荡信号中的噪声可以被降低，但亦降低了振荡器的调频范围。因此，要如何在不降低振荡器敏感增益的情况下降低耦合在振荡信号中的噪声，已成为本领域极欲解决的问题之一。


技术实现要素：

3.本发明公开一种振荡信号产生电路，其包括振荡器电路、反馈电路与稳压电路。振荡器电路具有第一输出端与第二输出端。振荡器电路依据第一参考电压于第一输出端与第二输出端分别产生第一振荡信号与第二振荡信号，其中第一振荡信号与第二振荡信号互为差分对。振荡器电路包括耦接于第一输出端与第二输出端之间的共模感测电路。共模感测电路用以感测第一振荡信号与第二振荡信号的共模成分以产生感测电压。反馈电路耦接于共模感测电路，用以依据感测电压产生反馈电压。稳压电路耦接于振荡器电路与反馈电路，用以依据反馈电压及第二参考电压对供应电压进行稳压，以产生第一参考电压。
4.本发明公开一种振荡信号产生电路，其包括第一放大器、传输晶体管、振荡器电路及反馈电路。传输晶体管的控制端耦接第一放大器的输出端，传输晶体管的第一端用以接收供应电压，及传输晶体管的第二端用以输出第一参考电压。振荡器电路的输入端用以接收第一参考电压，振荡器电路的第一输出端与第二输出端分别用以输出第一振荡信号与第二振荡信号，及振荡器电路的共模节点用以输出感测电压。感测电压具有第一振荡信号与第二振荡信号的共模成分。反馈电路的输入端耦接共模节点，及反馈电路的输出端耦接第一放大器的第一输入端。
5.相较于已知技术，利用本技术的振荡信号产生电路可以在不降低振荡器电路的敏感增益的情况下，减少耦合在输出振荡信号上的噪声。
附图说明
6.图1为本发明一些实施例中，振荡信号产生电路的方块示意图。
7.图2为本发明一些实施例中，振荡信号产生电路的组件示意图。
8.图3为本发明一些实施例中，振荡信号产生电路的操作示意图。
9.图4为本发明一些实施例中，图2中振荡信号产生电路的振荡器电路的效能示意图。
10.图5为本发明一些其他的实施例中，振荡信号产生电路的操作示意图。
11.图6为本发明一些实施例中，图2中振荡信号产生电路的稳压电路的效能示意图。
具体实施方式
12.图1为依据本发明一些实施例，振荡信号产生电路10的方块示意图。振荡信号产生电路10包括稳压电路100、振荡器电路200与反馈电路300。振荡信号产生电路10通过稳压电路100、振荡器电路200与反馈电路300形成的闭合回路降低耦合在振荡信号vp与振荡信号vn中的噪声。
13.稳压电路100用以对供应电压vdd进行稳压，以产生参考电压v1。其中，稳压电路100依据参考电压v2与由反馈电路300产生的反馈电压vf对供应电压vdd进行稳压。在一些实施例中，稳压电路100为线性稳压器，例如低压线性稳压器(low dropout regulator，ldo)。振荡器电路200由稳压电路100供电，用以依据参考电压v1分别在输出端n1与输出端n2上产生振荡信号vp与振荡信号vn，并在共模节点nc上产生感测电压vc。振荡信号vp与振荡信号vn互为差分对。例如，振荡器电路200包括共模感测电路210。共模感测电路210耦接于输出端n1与输出端n2之间，且用以依据振荡信号vp与振荡信号vn的共模成分于共模节点nc产生感测电压vc。也就是说，从共模节点nc输出的感测电压vc可携带振荡信号vp与振荡信号vn的该共模成分，其可包括出现在输出端n1与输出端n2的共模噪声。反馈电路300依据感测电压vc产生反馈电压vf，并将反馈电压vf反馈至稳压电路100。
14.图2为依据本发明一些实施例，图1所示的振荡信号产生电路10的组件示意图。
15.稳压电路100包括放大器amp1、晶体管m1、电阻器r1、电阻器r2与电容器c1。电阻器r1的第一端用以接收参考电压v2，电阻器r1的第二端耦接于电容器c1的第一端与放大器amp1的第一输入端(例如正输入端)。电容器c1的第二端可耦接于一参考电压，例如接地电压。放大器amp1的输出端耦接晶体管m1的控制端，晶体管m1的第一端用以接收供应电压vdd，晶体管m1的第二端耦接电阻器r2的第一端与放大器amp1的第二输入端(例如负输入端)，以及电阻器r2的第二端可耦接于一参考电压，例如接地电压。其中，晶体管m1的第二端用以输出参考电压v1。在一些实施例中，参考电压v2为能隙电压。
16.在一些实施例中，振荡器电路200为压控振荡器，其藉由接收的参考电压v1、控制电压vcont与电流ib来控制振荡信号vp、vn。振荡器电路200还包括第一交叉耦接的晶体管对220、第二交叉耦接的晶体管对230、电压控制电路240与电流源250。如图2所示，共模感测电路210、第一交叉耦接的晶体管对220、第二交叉耦接的晶体管对230与电压控制电路240均耦接于输出端n1与输出端n2。第一交叉耦接的晶体管对220用以接收参考电压v1，第二交叉耦接晶体管对230耦接于电流源250。
17.于此实施例中，共模感测电路210可包括振荡组件l，其耦接于输出端n1与输出端n2之间，其中共模节点nc位于振荡组件l的中心处。在一些实施例中，振荡组件l为电感器，输出端n1与共模节点nc之间的电感值大致(substantially)相等于输出端n2与共模节点nc之间的电感值。例如，共模节点nc为该电感器的中心抽头处。在一些实施例中，振荡组件l包括两个电感器l1与l2，其中电感器l1耦接于输出端n1与共模节点nc之间，且电感器l2耦接于输出端n2与共模节点nc之间。电感器l1与电感器l2可具有相同或大致相同的电感值。
18.电压控制电路240包括可变电容器c3与可变电容器c4。可变电容器c3的第一端耦
接输出端n1，可变电容器c3的第二端耦接可变电容器c4的第一端与电压控制端n3，可变电容器c4的第二端耦接输出端n2。振荡器电路200藉由电压控制端n3接收的控制电压vcont与可变电容器c3、c4的电容值来调整振荡信号vp与振荡信号vn的频率。
19.值得注意的是，电感器l1、电感器l2、可变电容器c3与可变电容器c4可作为振荡器电路200的电感电容共振腔(lc tank)的至少一部分。共模感测电路210可视为重复利用振荡器电路200的电感电容共振腔之中的振荡元件。然而，上述共模感测电路210的设置仅为示例用途，各种不同的共模感测电路210的设置均在本发明的考虑与范畴之内。在一些实施例中，共模感测电路210还可包括耦接于输出端n1与输出端n2之间的高阻抗电阻器(图中未绘示)。共模节点nc位于高阻抗电阻器的中心点，亦即输出端n1至共模节点nc的电阻值大致等于输出端n2至共模节点nc的电阻值。共模感测电路210从共模节点nc输出的感测电压vc可携带振荡信号vp与振荡信号vn的该共模成分，使反馈电路300可通过共模节点nc得到振荡信号vp与振荡信号vn的该共模成分。在一些实施例中，共模感测电路210还可包括另外的电容器串联耦接在输出端n1、n2之间，其中输出端n1与共模节点nc之间的电容值可大致相等于输出端n2与共模节点nc之间的电容值。在一些实施例中，共模感测电路210可采用不同于电感器l1、电感器l2、可变电容器c3与可变电容器c4的振荡组件来感测振荡信号vp与振荡信号vn的该共模成分。例如，共模感测电路210可接收振荡信号vp与振荡信号vn，并对振荡信号vp与振荡信号vn进行信号平均处理，以产生感测电压vc。这些设计上的变化均属于本发明的范围。
20.反馈电路300包括放大器amp2与电容器c2。放大器amp2的输入端耦接共模节点nc作为反馈电路300的输入端，用以接收感测电压vc。放大器amp2的输出端耦接电容器c2的第一端，电容器c2的第二端作为反馈电路300的输出端用以输出反馈电压vf。电容器c2的第二端耦接于稳压电路100中放大器amp1的第一输入端、电阻器r1的第二端与电容器c1的第一端汇集的节点。换言之，在放大器amp1的第一输入端上不但包括参考电压v2的成分，亦包括反馈电压vf的成分。
21.在一些实施例中，振荡器电路200输出的振荡信号vp、vn可表示为供应电压vdd与电流ib的函数，因此耦合在供应电压vdd中的噪声与耦合在电流源250上的噪声均会影响振荡信号vp与振荡信号vn。在一些其他的实施例中，反馈电路300产生的噪声和/或振荡器电路200所处芯片产生的噪声亦会影响振荡信号vp与振荡信号vn。本发明所提供的振荡信号产生电路10用以降低上述噪声的至少一部分，其细节说明如下。
22.图3为图2所示的振荡信号产生电路10的操作示意图，请一并参照图2及图3。如图3所示，电流源250的噪声n1以共模的形式出现在输出端n1与输出端n2上的振荡信号vp与振荡信号vn中。因为输出端n1输出的振荡信号vp与输出端n2所输出的振荡信号vn互为差分对，且共模节点nc位于输出端n1与输出端n2之间的电感的对称中心点，所以从共模节点nc输出的感测电压vc可携带振荡信号vp与振荡信号vn的共模成分的信息。于此实施例中，从共模节点nc输出的感测电压vc的电压电平可等于或大致等于振荡信号vp的信号电平与振荡信号vn的信号电平的算术平均值。基于交叉耦合对振荡器电路200的特性，由于互为差分对的振荡信号vp与振荡信号vn两者的平均大致是出现在输出端n1与输出端n2的共模噪声(即噪声n1)，感测电压vc相当于出现在输出端n1与输出端n2的共模噪声(即噪声n1)。接着，感测电压vc经过放大器amp2放大后产生辅助电压v3。辅助电压v3可示为a2*vc+n2(亦即a2*
n1+n2)，其中a2与n2分别为放大器amp2的增益值与放大器amp2的噪声。
23.因为参考电压v2为直流电压，当振荡信号产生电路10以小信号模型的观点来分析时，电阻器r1具有高阻抗可视为开路，放大器amp1的第一输入端接收到的反馈电压vf可表示为电容器c1与电容器c2对辅助电压v3的分压，并以a3*v3(亦即a3*a2*n1+a3*n2)示于图3中，其中分压比例a3等于电容器c2的电容值除以电容器c1与电容器c2各自的电容值的总和。
24.在一些实施例中，放大器amp1与晶体管m1形成的闭合回路增益等于1，因此，反馈电压vf被传输至晶体管m1的控制端。在小信号模型下，晶体管m1被视为共漏极晶体管，因此，在栅极端(即控制端)上的反馈电压vf被传输至晶体管m1的第二端，并耦合在参考电压v1之上以a3*a2*n1+a3*n2示于图3中。振荡器电路200接收携带噪声a3*a2*n1+a3*n2的参考电压v1时，噪声a3*a2*n1+a3*n2也一并地耦合在输出端n1与输出端n2的振荡信号vp与振荡信号vn上。基于上述电路操作，耦合在振荡信号vp与振荡信号vn上的噪声可分为来自电流源的噪声n1与反馈电路300反馈的噪声a3*a2*n1+a3*n2。因此，耦合在振荡信号vp与振荡信号vn上的噪声为n1+a3*a2*n1+a3*n2。为了简单起见，将耦合在振荡信号vp与振荡信号vn上的噪声改写为(1+a3*a2)n1+a3*n2并示于图3中。
25.在一些实施例中，振荡信号产生电路10用以消除电流源的噪声n1，因此，可将噪声n1前的系数(1+a3*a2)设定为0。如此一来，振荡信号vp与振荡信号vn上的噪声n1即被消除，仅剩下部分噪声a3*n2。
26.当(1+a3*a2)被设定为0时，a3*a2的值等于-1。因为分压比例a3恒为正值，所以放大器amp2的增益值a2被设定为负值，使分压比例a3与增益值a2相乘为-1。在此情况下，当电容器c1与电容器c2的电容值决定后，增益值a2亦被决定。例如，当电容器c1与电容器c2的电容值相等，a3等于0.5，因此增益值a2等于-2。在一些实施例中，电容器c1的电容值远大于电容器c2的电容值。例如，电容器c1与电容器c2的电容值的比例为9:1，则a3等于0.1，因此增益值a2约等于-10。
27.此外，当(1+a3*a2)被设定为0时，耦合在振荡信号vp与振荡信号vn上的噪声中剩下噪声a3*n2。由此关系可知，降低分压比例a3可抑制剩余噪声a3*n2。又a3*n2可改写为-n2/a2(由于a3*a2＝-1)，因此当放大器amp2的增益值a2的绝对值越大时，耦合在振荡信号vp与振荡信号vn上的噪声-n2/a2越可以被抑制。
28.在一些实施例中，如图4所示，振荡器电路200的敏感增益k与噪声消除工作带宽bw成反比。为了使噪声消除工作带宽bw变小以消除特定频率范围的噪声，敏感增益k必须提升。在图4中，线段40a代表没有使用由稳压电路100、振荡器电路200与反馈电路300形成的闭合回路来消除噪声的现有技术电路，以及曲线40b代表本发明所提供的振荡器电路200。本发明提供的振荡信号产生电路10利用稳压电路100、振荡器电路200与反馈电路300形成的闭合回路可以将电流源的噪声n1有效地消除，并且不须提升敏感增益k即可达到较小的噪声消除工作带宽bw。在一些实施例中，曲线40b表示的噪声消除工作带宽bw约在数百khz至约数十mhz之间。
29.在一些实施例中，振荡信号产生电路10难以预测因供应电压vdd引起而耦合在参考电压v1中的噪声n3。因此，藉由稳压电路100、振荡器电路200与反馈电路300形成的闭合回路可以将噪声n3有效的消除，使得参考电压v1上不带有噪声n3的成分，其细节说明如下。
30.图5为图2所示的振荡信号产生电路10的操作示意图，请一并参照图2及图5。如图5所示，耦合在供应电压vdd上的噪声通过晶体管m1亦耦合在参考电压v1上，并以共模形式出现在输出端n1与输出端n2(即示于图5中的噪声n3)。当振荡信号vn、vp包括噪声n3时，反馈电路300可藉由共模感测电路210在共模节点上得到包括噪声n3的感测电压vc。如同图3中对噪声n1的操作所示，稳压电路100、振荡器电路200与反馈电路300形成的闭合回路亦对噪声n3具有相同类似的操作，亦即放大器amp2产生辅助电压v3＝(a2*n3+n2)以及反馈电路产生反馈电压vf＝(a3*v3)。当稳压电路100产生参考电压v1时，耦合在参考电压v1的噪声包括了原本由供应电压vdd耦合来的噪声n3与由反馈电压vf反馈的噪声a3*a2*n3+a3*n2。为了简单起见，将耦合在参考电压v1上的噪声改写为(1+a3*a2)n3+a3*n2并示于图5中。
31.类似于图3的说明，为了消除噪声n3，可将噪声n3前的系数(1+a3*a2)设定为0，其相关计算的关系于此不再赘述。
32.在其他的实施例中，振荡信号产生电路10还用以消除振荡器电路200所处芯片产生的噪声n4。在一些实施例中，噪声n1、噪声n2与噪声n3耦合在振荡信号vn、vp上，并会改变可变电容器c3、c4的偏压点以及改变振荡信号vn、vp的频率，使相位噪声变大。而振荡器电路200所处芯片产生的噪声n4为邻近数字电路低频的切换噪声(switching noise)，噪声n4亦藉由输出端n1、n2耦合至振荡信号vn、vp上，使得振荡信号vn、vp的相位噪声再度恶化。
33.在一些现有技术中，电路系统为了达到低功率的目的，将供应电压降低，例如从3v降到1.3v。然而，降低供应电压时亦会使电路系统中的稳压器的电源纹波抑制比(power supply ripple rejection，psrr)变差，使得稳压器供应的电压具有较大的噪声。为了降低噪声，振荡器的敏感增益被降低。但当敏感增益被降低时，调频范围亦被降低。因此，在现有技术中，敏感增益与调频范围难以同时兼具。
34.图6为图2中所示的稳压电路100的效能示意图。稳压电路100的psrr越小，代表稳压电路100抑制噪声的效能越好。曲线60a代表没有使用由稳压电路100、振荡器电路200与反馈电路300形成的闭合回路来消除噪声的现有技术电路，以及曲线60b代表本发明所提供的稳压电路100。由图6可知，稳压电路100因使用了本发明提供的噪声消除方法，在相同的工作频率f下可具有较低的psrr。
35.相较于上述的现有技术，本发明提供的振荡信号产生电路10可以使用较低的供应电压vdd，且在不降低振荡器电路200的敏感增益k的同时亦降低电路上的噪声，使得敏感增益k与调频范围可以兼具。
36.附图标记说明：
37.10：振荡信号产生电路
38.100：稳压电路
39.200：振荡器电路
40.210：共模感测电路
41.220：第一交叉耦接的晶体管对
42.230：第二交叉耦接的晶体管对
43.240：电压控制电路
44.250：电流源
45.300：反馈电路
46.vdd：供应电压
47.v1：参考电压
48.v2：参考电压
49.r1：电阻器
50.r2：电阻器
51.m1：晶体管
52.amp1：放大器
53.amp2：放大器
54.c1：电容器
55.c2：电容器
56.c3：可变电容器
57.c4：可变电容器
58.l：振荡组件
59.l1：电感器
60.l2：电感器
61.vp：振荡信号
62.vn：振荡信号
63.vc：感测电压
64.vf：反馈电压
65.vcont：控制电压
66.n1：输出端
67.n2：输出端
68.n3：电压控制端
69.nc：共模节点
70.ib：电流
71.n1：噪声
72.n2：噪声
73.n3：噪声
74.a2：增益值
75.a3：分压比例
76.v3：辅助电压
77.40a：线段
78.40b：曲线
79.k：敏感增益
80.bw：噪声消除工作带宽
81.60a：曲线
82.60b：曲线
83.psrr：电源纹波抑制比
84.f：工作频率