一种不受工艺与偏压源影响的电压控制振荡器

摘要

本发明公开一种不受工艺与偏压源影响的电压控制振荡器。该电压控制振荡器包含一参考电流源模块与一周期信号产生模块。该参考电流源模块根据一参考电压，产生对应大小的参考电流。该周期信号产生模块根据该参考电流源模块所产生的参考电流大小，对应地产生相对频率的周期信号。该参考电流源模块利用放大器的负反馈机制以使得所输出的参考电流能维持预定的大小而不受工艺与偏压源的影响。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电压控制振荡器(Voltage Control Oscillator，VCO)，特别是有关一种不受工艺与偏压源影响的电压控制振荡器。

背景技术

请参考图1。图1为一现有技术的电压控制振荡器100的示意图。电压控制振荡器100包含参考电流源模块110及周期信号产生模块120。参考电流源模块110用来产生参考电流I_BIAS、I₁及电压V_A与V_B。周期信号产生模块120根据电压V_A与V_B产生对应频率的周期信号CLK。

参考电流源模块110包含P型金属氧化物半导体晶体管(P-type Metal OxideSemiconductor，PMOS)Q_P1、Q_P2及N型金属氧化物半导体晶体管(N-type MetalOxide Semiconductor，NMOS)Q_N1、Q_N2。晶体管Q_P1的源极(第一端)耦接于偏压源V_DD、栅极(控制端)耦接于晶体管Q_P2的栅极、漏极(第二端)耦接于晶体管Q_N1的漏极。晶体管Q_P2的源极(第一端)耦接于偏压源V_DD、栅极(控制端)耦接于晶体管Q_P1的栅极、漏极(第二端)耦接于晶体管Q_N2的漏极。晶体管Q_N1的源极(第一端)耦接于偏压源V_SS(地端)、栅极(控制端)用以接收一参考电压V_REF、漏极(第二端)耦接于晶体管Q_P1的漏极。晶体管Q_N2的源极(第一端)耦接于偏压源V_SS、栅极(控制端)耦接于晶体管Q_P2的漏极、漏极(第二端)耦接于晶体管Q_P2的漏极。

晶体管Q_N1接收参考电压V_REF，并根据参考电压V_REF的大小，从晶体管Q_P1漏极获取对应大小的电流I_BIAS。晶体管Q_P2与晶体管Q_N2形成一电流镜，将电流I_BIAS复制以产生同样大小的电流I₁以及对应的控制电压V_A与V_B。如此一来，电压V_A与V_B便可驱动周期信号产生模块120中的电流源，产生相同大小的电流，进而根据该电流的大小产生对应频率的周期信号CLK。

然而，由于金属氧化物半导体晶体管的临界电压会因工艺的不同而有所差异。根据N型金属氧化物半导体晶体管的电流产生公式：

I＝K(V_GS-V_TH)²...(1)

其中K表示为一常数、V_GS为N型金属氧化物半导体晶体管的栅极与源极的电压差、V_TH为N型金属氧化物半导体晶体管的临界电压。因此，在参考电流源模块110中的晶体管Q_N1所漏取的电流I_BIAS，可根据上式计算得出：

I_BIAS＝K(V_REF-V_SS-V_TH)²...(2)

由此可知，参考电流I_BIAS在参考电压V_REF固定时，仍会随着临界电压V_TH与偏压源V_SS的影响而改变，进而影响到复制的电流I₁的大小。如此一来，所产生的电压V_A与V_B，便会使得周期信号产生模块120中所驱动的电流也跟着改变，而影响到输出的周期信号CLK的频率，造成使用者的不便。

发明内容

本发明提供一种不受工艺与偏压源影响的电压控制振荡器。该电压控制振荡器根据一参考电压产生一对应频率的周期信号。该电压控制振荡器包含一参考电流源产生模块，包含一放大器，包含一正输入端，用来接收该参考电压；一负输入端；及一输出端；一电阻，耦接于该放大器的该负输入端与一地端之间；及一第一金属氧化物半导体晶体管，包含一第一端，耦接于一偏压源；一控制端，耦接于该放大器的该输出端；及一第二端，该第一金属氧化物半导体晶体管根据该参考电压，产生一参考电流；及一周期信号产生模块，用来根据该参考电流，输出该对应频率的周期信号。

附图说明

通过参照前述说明及下列附附图，本发明的技术特征及优点得以获得完全了解。

图1为一现有技术的电压控制振荡器的示意图；

图2为本发明的电压控制振荡器的示意图；

图3为说明本发明的带隙参考电压电路的示意图；

图4为说明本发明的温升电流产生电路的示意图。

其中，附图标记

100、200                                          电压控制振荡器

110、210                                          参考电流源产生模块

120、220                                          周期信号产生模块

V_DD、V_SS                                          偏压源

V_REF、V_REFT+                                      参考电压

V_A、V_B                                            电压

I_BIAS、I₁、I₂、IX、I_T+、I_T-                       电流

Q_P1、Q_P2、Q_P3、Q_P4、Q_P51、Q_P52、Q_P5m、            晶体管

Q_N1、Q_N2、Q_N3、Q_N41、Q_N42、Q_N4m、Q₅～Q₁₀

R₁、R_X、R_REF                                      电阻

C₁、C₂、C_m                                        电容

INV₁、INV₂、INV_m                                  反相器

AMP₁、AMP₂                                        放大器

211                                               带隙参考电压电路

2111                                              温升电流产生电路

2112                                              温降电流产生电路

400                                               温升带隙参考电压电路

SW₁                                               开关

S_C                                                控制信号

CLK                                               周期信号

具体实施方式

请参考图2。图2为本发明的电压控制振荡器200的示意图。电压控制振荡器200包含参考电流源模块210及周期信号产生模块220。参考电流源模块210用来产生参考电流I_BIAS、I₂及电压V_A与V_B。周期信号产生模块220根据电压V_A与V_B产生对应频率的周期信号CLK。

参考电流源模块210包含P型金属氧化物半导体晶体管Q_P3、Q_P4、N型金属氧化物半导体晶体管Q_N3、电阻R₁、带隙参考电压(band-gap voltage reference)电路211以及放大器AMP₁。晶体管Q_P3的源极(第一端)耦接于偏压源V_DD、栅极(控制端)耦接于放大器AMP₁的输出端、漏极(第二端)耦接于放大器AMP₁的负输入端与电阻R₁。电阻R₁耦接于放大器AMP₁的负输入端与偏压源V_SS之间。放大器AMP₁的正输入端耦接于带隙参考电压电路211，用以接收参考电压V_REF；放大器AMP₁的负输入端耦接于电阻R₁与晶体管Q_P3的漏极之间；放大器AMP₁的输出端耦接于晶体管Q_P3的栅极。晶体管Q_P4的源极(第一端)耦接于偏压源V_DD、栅极(控制端)耦接于晶体管Q_P3的栅极、漏极(第二端)耦接于晶体管Q_N3的漏极。晶体管Q_N3的源极(第一端)耦接于偏压源V_SS、栅极(控制端)耦接于晶体管Q_P4的漏极、漏极(第二端)耦接于晶体管Q_P4的漏极。

放大器AMP₁的正输入端耦接于带隙参考电压电路211用以接收参考电压V_REF。因此，放大器AMP₁的负输入端亦同样会被钳制在电压V_REF。由图2可知，流经电阻R₁的电流便会变成(V_REF/R₁)。因此，参考电流I_BIAS便会被限制在(V_REF/R₁)而不会被偏压源、临界电压的改变所影响。如此一来，晶体管Q_P4与晶体管Q_N3所形成的电流镜产生的电流I₂也同样能与参考电流I_BIAS一样不受到偏压源、临界电压的变异而有所改变。因此，电压V_A与V_B所控制周期信号产生模块220中的电流源亦不会受到偏压源与临界电压的影响而改变。如此，所输出的周期信号CLK，将能准确地根据参考电压V_REF的大小，而输出对应的频率。

请继续参考图2。周期信号产生模块220包含m个反相器模块221～22m。周期信号产生模块220中的反相器模块的个数需为奇数，如此方可产生出周期信号(偶数的话则不会产生出周期信号)。每个反相器模块皆包含一反相器、一N型金属氧化物半导体晶体管、一P型金属氧化物半导体晶体管及一电容。每一个反相器模块中的反相器皆用以接收前一级反相器模块所输出的信号，并将其反相后输出至下一级反相器模块。而第m级反相器模块所输出的信号即作为最后输出的周期信号CLK并且同时输入第1级反相器模块的反相器。举例来说，第一级反相器模块221包含反相器INV₁、晶体管Q_N41、晶体管Q_P51及电容C₁。晶体管Q_P51与晶体管Q_N41同样形成电流镜复制晶体管Q_P4与晶体管Q_N3所形成的电流镜产生的电流I₂。晶体管Q_P51的源极耦接于偏压源V_DD、栅极用来接收电压V_A、漏极用来输出电流I₂。晶体管Q_N41的源极耦接于偏压源V_SS、栅极用来接收电压V_B、漏极用来漏取电流I₂。

反相器INV₁包含二电流端、一输入端及一输出端。反相器INV₁的二电流端分别耦接于晶体管Q_P51的漏极与晶体管Q_N41的漏极，用来接收/漏取电流，也就是说，流经过反相器INV₁的电流即为电流I₂；反相器INV₁的输入端耦接于反相器模块22m的反相器INV_m的输出端，用来接收周期信号CLK，反相器INV₁的输出端耦接于下一级反相器模块222中的反相器INV₂的输入端以及电容C₁；电容C₁耦接于反相器221的输出端与偏压源V_SS之间。因此，反相器221可根据所接收电流I₂的大小，调整输出反相信号的时间(因为电容C₁的关系，电流I₂的大小影响到电容C₁充放电的时间)。举例来说，当反相器INV₁接收到低电位的输入信号时，若电流I₂较大，则反相器INV₁输出反相的高电位的输出信号的反应时间较短；反之亦然。其他级反相器模块结构与运作原理如同上述可以类推得出，于此不再赘述。

本发明所提供的电压控制振荡器，因为具有不受工艺及偏压源影响的参考电流源模块，所以其所产生的周期信号的频率为稳定的，可根据所输入的参考电压V_REF的大小作调整，而不会因为工艺与偏压源的关系产生误差。

另外，本发明所提供的参考电流源模块210中，带隙参考电压电路211所输出的参考电压V_REF，其可设计为与温度有关。比方说当温度上升时，参考电压V_REF亦会上升；反之，当温度下降时，参考电压V_REF亦会随之下降。可以一公式描述上述关系：

V_REF＝V_{REF_INI}×(1+JT)...(3)或

V_REF＝V_{REF_INI}×(1-JT)...(4)

其中V_REF表示带隙参考电压电路211最后因为温度而调整后所输出的参考电压值、V_{REF_INI}表示带隙参考电压电路211初始所输出的参考电压值、T表示温度的变化量、J表示一温度系数(正数)。因此，通过这样的设计，以公式(3)来说，当温度上升时，参考电压V_REF亦会上升，亦即参考电流I_BIAS(＝V_REF/R₁)也会上升、电流I₂也会上升。而周期信号产生模块220中的反相器模块亦会由于电流上升而加快反应速度，使得周期信号CLK的频率上升；当温度下降时，参考电压V_REF亦会下降，亦即参考电流I_BIAS(＝V_REF/R₁)也会下降、电流I₂也会下降。而周期信号产生模块220中的反相器模块亦会由于电流下降而减缓反应速度，使得周期信号CLK的频率下降。

请参考图3。图3为说明带隙参考电压电路211的示意图。如图3所示，带隙参考电压电路211包含温升电流产生电路2111、温降电流产生电路2112，以及电阻R_REF。温升电流产生电路2111用来产生一随温度上升而上升的温升电流I_T+；温降电流产生电路2112用来产生一随温度上升而下降的温降电流I_T-。电阻R_REF耦接于温升电流产生电路2111以及温降电流产生电路2112的输出端，以及偏压源V_SS之间。电阻R_REF用来接收温升电流I_T+以及温降电流I_T-，而其上的跨压，即作为带隙参考电压电路211所输出的参考电压V_REF[V_REF＝R_REF×(I_T++I_T-)]。

请参考图4。图4为说明温升电流产生电路2111的示意图。如图4所示，温升电流产生电路2111包含温升带隙参考电压电路400、放大器AMP₂、电阻R_X、晶体管Q₅～Q₁₀以及开关SW₁。晶体管Q₅～Q₁₀为P型金属氧化物半导体晶体管；而晶体管Q₅～Q₁₀的长宽比(W/L)的比例分别为1∶6/4∶5/4∶4/4∶3/4∶2/4。因此，在相同的栅极电压的控制下，晶体管Q₅～Q₁₀所产生的电流的比例亦分别为1∶6/4∶5/4∶4/4∶3/4∶2/4。

温升带隙参考电压电路400用来产生温升参考电压V_REFT+。温升参考电压V_REFT+随温度上升而上升。放大器AMP₂的正输入端耦接于温升带隙参考电压电路400，用来接收参考电压V_REFT+。因此，放大器AMP₂的负输入端亦同样会被钳制在电压V_REFT+。晶体管Q₅～Q₁₀的源极皆耦接于偏压源V_DD、栅极皆耦接于放大器AMP₂的输出端。晶体管Q₅的漏极耦接于放大器AMP₂的负输入端。由图4可知，流经电阻R_X的电流I_X为(V_REFT+/R_X)；因此，放大器AMP₂的输出端会控制晶体管Q₅的栅极，以输出大小为(V_REFT+/R_X)的电流I_X。同样地，经放大器AMP₂的控制，晶体管Q₆～Q₁₀会输出大小分别为(6/4)I_X、(5/4)I_X、(4/4)I_X、(3/4)I_X、(2/4)I_X的电流。开关SW₁包含输入端I_A、I_B、I_C、I_D与I_E、输出端O，以及控制端C。开关SW₁的输入端I_A～I_E分别耦接于晶体管Q₆～Q₁₀的漏极，用来分别接收电流(6/4)I_X、(5/4)I_X、(4/4)I_X、(3/4)I_X、(2/4)I_X。开关SW₁可根据控制端C所接收的控制信号S_C，将其输入端I_A～I_E中的一个耦接至其输出端O，以作为温升电流产生电路2111所输出的温升电流I_T+。举例来说，当开关SW₁将其输入端I_E耦接至其输出端O时，温升电流I_T+即为(2/4)I_X，亦即等于(2/4)×(V_REFT+/R_X)。开关SW₁亦可以一保险丝组来实施。换句话说，开关SW₁可包含五个保险丝，每个保险丝的一端接对应地耦接于晶体管Q₆～Q₁₀的漏极，每个保险丝的另一端耦接于开关SW1的输出端O。使用者可依需求决定将哪些保险丝烧断，哪些不烧断，以决定温升电流产生电路2111所输出的温升电流I_T+的大小。举例来说，使用者可将耦接于晶体管Q₁₀与开关的输出端O之间的保险丝保留，然后将其他的保险丝烧断，如此温升电流I_T+的大小便为(2/4)I_X。

而温降电流产生电路2112的架构与运作原理与温升电流产生电路2111类似，在此不再赘述，唯一差异仅在于：在温降电流产生电路2112中，其所使用的带隙参考电压电路为一温降带隙参考电压电路，所产生的参考电压随温度上升而下降。

综上述，本发明不仅提供不受工艺及偏压源影响的电压控制振荡器，亦可根据温度的变化，调整输出周期信号的频率，提供给使用者更大的便利性。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。