《降低振荡器相位噪声的电路.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《降低振荡器相位噪声的电路.pdf（15页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 103516310 A (43)申请公布日 2014.01.15 CN 103516310 A (21)申请号 201310232530.4 (22)申请日 2013.06.13 101122952 2012.06.27 TW H03B 5/04(2006.01) (71)申请人 顺富科技实业有限公司 地址 中国台湾台北市 (72)发明人 黄咏胜 (74)专利代理机构 北京天平专利商标代理有限 公司 11239 代理人 孙刚 (54) 发明名称 降低振荡器相位噪声的电路 (57) 摘要 一种降低振荡器相位噪声的电路， 其包含一 场效电晶体， 一阻抗元件， 所述阻抗元件。
2、跨接于上 述场效电晶体的漏极以及栅极之间， 一反向电路， 所述反向电路连接于上述阻抗元件的一端， 以及 一相加电路， 所述相加电路分别与上述反向电路 以及阻抗元件未与反向电路连接的一端连接， 进 而将上述阻抗元件两端的信号反向并叠加后输 出， 进而产生消除相位噪声的振荡讯号。 (30)优先权数据 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 8 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图8页 (10)申请公布号 CN 103516310 A CN 103516310 A 1/1 页 2 1. 一种降低振荡器相位噪声的电路。
3、， 其特征在于包含 ： 一电晶体， 一阻抗元件， 所述阻抗元件跨接于上述电晶体的漏极以及栅极之间， 一反向电路， 所述反向电路连接于上述阻抗元件的一端， 以及 一相加电路， 所述相加电路分别与上述反向电路以及阻抗元件未与反向电路连接的一 端连接， 进而将上述阻抗元件两端的信号反向并叠加后输出， 进而产生消除相位噪声的振 荡讯号。 2. 如权利要求 1 所述的降低震荡器相位噪声的电路， 其特征在于， 所述电晶体为场效 电晶体。 3. 如权利要求 2 所述的降低振荡器相位噪声的电路， 其特征在于， 上述场效电晶体为 一 N 型场效电晶体。 4. 如权利要求 2 所述的降低振荡器相位噪声的电路， 其。
4、特征在于， 上述场效电晶体为 一 P 型场效电晶体。 5. 如权利要求 2 所述的降低振荡器相位噪声的电路， 其特征在于， 上述阻抗元件为电 感、 电容或电阻的其中至少一种的组合。 6. 如权利要求 1 所述的降低震荡器相位噪声的电路， 其特征在于， 所述电晶体为双极 性电晶体。 7. 一种降低振荡器相位噪声的电路， 其特征在于包含 ： 一第一场效电晶体， 一第二场效电晶体， 所述的第一场效电晶体与第二场效电晶体的栅极分别与对方的漏 极相连而形成交叉对， 至少一阻抗元件， 所述阻抗元件跨接于上述交叉对的漏极与栅极之间， 至少一反向电路， 所述反向电路一端连接于上述第一场效电晶体的栅极， 以及一。
5、相加 电路， 所述相加电路分别与上述第一场效电晶体的漏极和反向电路相连， 进而将上述第一 场效电晶体在漏极与栅极处的信号反向并叠加后输出， 进而产生消除相位噪声的振荡讯 号。 8. 如权利要求 7 所述的降低振荡器相位噪声的电路， 其特征在于， 上述第一场效电晶 体与第二场效电晶体均为 N 型场效电晶体。 9. 如权利要求 7 所述的降低振荡器相位噪声的电路， 其特征在于， 上述第一场效电晶 体与第二场效电晶体均为 P 型场效电晶体。 10. 如权利要求 7 所述的降低振荡器相位噪声的电路， 其特征在于， 上述阻抗元件为电 感、 电容或电阻的其中至少一种的组合。 权 利 要 求 书 CN 10。
6、3516310 A 2 1/5 页 3 降低振荡器相位噪声的电路 技术领域 0001 本发明有关一种噪声消除电路， 尤指一种消除振荡器 (oscillator) 输出讯号中 的相位噪声的噪声消除电路， 即降低振荡器相位噪声的电路。 背景技术 0002 压控震荡器 (vco) 是一种以电压输入来控制振荡频率的电子振荡电路， 其振荡的 频率会随着直流电压的不同而改变。而压控振荡器容易受到干扰而产生相位噪声 (phase Noise)。常见的干扰来源主要有 1. 电感 - 电容共振电路中电感的品质因素太小 ； 2. 主动 元件 MOS(Bipolar) 以及电流源 (Current Source) 。
7、所产生的抖动噪声 (Flicker Noise) 或 热噪声 (Thermal Noise) ； 3. 偏压电源 VDD/VSS 中， 由其他电路所产生的噪声干扰。 0003 现请参阅图 1， 于图中所示为一习用的电感 - 电容共振电路， 其包含一第一场效电 晶体 70， 一第二场效电晶体 71， 所述第一场效电晶体 70 与第二场效电晶体 71 的栅极 15 分 别与对方的漏极14电讯连接而形成交叉对17(Cross-Coupled)的形式， 藉以产生负电阻并 达到持续震荡的目的。 而此时的振荡频率是由螺旋电感72、 变容二极体73以及电晶体的寄 生元件所组成的总电感 - 电容决定。且由上述。
8、第一场效电晶体 70 以及第二场效电晶体 71 的漏极 14 所输出的讯号彼此具有相同的波形与振幅， 以及正好相反的相位。 0004 然而一般螺旋电感 72 的品质因素约为 5 至 12 左右， 且场效电晶体元件具有较高 的噪声， 因而使此种电感 - 电容共振电路组合下所产生的相位噪声偏高， 必须将其中的相 位噪声降低。 发明内容 0005 本发明的目的在于提供一种降低振荡器相位噪声的电路， 能有效减低振荡器讯号 中的相位噪声， 且结构简单， 极具实用性。 0006 为达上述目的， 本发明公开了一种降低振荡器相位噪声的电路， 其特征在于包 含 ： 0007 一电晶体， 0008 一阻抗元件， 。
9、所述阻抗元件跨接于上述电晶体的漏极以及栅极之间， 0009 一反向电路， 所述反向电路连接于上述阻抗元件的一端， 以及 0010 一相加电路， 所述相加电路分别与上述反向电路以及阻抗元件未与反向电路连接 的一端连接， 进而将上述阻抗元件两端的信号反向并叠加后输出， 进而产生消除相位噪声 的振荡讯号。 0011 其中， 所述电晶体为场效电晶体。 0012 其中， 上述场效电晶体为一 N 型场效电晶体。 0013 其中， 上述场效电晶体为一 P 型场效电晶体。 0014 其中， 上述阻抗元件为电感、 电容或电阻的其中至少一种的组合。 0015 其中， 所述电晶体为双极性电晶体。 说 明 书 CN 。
10、103516310 A 3 2/5 页 4 0016 还公开了一种降低振荡器相位噪声的电路， 其特征在于包含 ： 0017 一第一场效电晶体， 0018 一第二场效电晶体， 所述的第一场效电晶体与第二场效电晶体的栅极分别与对方 的漏极相连而形成交叉对， 0019 至少一阻抗元件， 所述阻抗元件跨接于上述交叉对的漏极与栅极之间， 0020 至少一反向电路， 所述反向电路一端连接于上述第一场效电晶体的栅极， 以及一 相加电路， 所述相加电路分别与上述第一场效电晶体的漏极和反向电路相连， 进而将上述 第一场效电晶体在漏极与栅极处的信号反向并叠加后输出， 进而产生消除相位噪声的振荡 讯号。 0021 。
11、其中， 上述第一场效电晶体与第二场效电晶体均为 N 型场效电晶体。 0022 其中， 上述第一场效电晶体与第二场效电晶体均为 P 型场效电晶体。 0023 其中， 上述阻抗元件为电感、 电容或电阻的其中至少一种的组合。 0024 通过上述公开内容， 本发明的降低振荡器相位噪声的电路藉由场效电晶体将讯号 反相的效果， 搭配连接于上述场效电晶体漏极与栅极之间的阻抗元件， 可有效的以少量元 件达成不影响噪声之下将振荡讯号反相的效果。再利用一反向电路以及一相加电路， 将原 始振荡讯号以及反向后的振荡讯号反向相加， 进而达成消除相位噪声的功效。 附图说明 0025 图 1 ： 习用的电感 - 电容共振电。
12、路的样本电路图 ； 0026 图 2 ： 本发明一可行实施例的样本电路图 ； 0027 图 3 ： 于第一可行实施例中将本发明与振荡器连结的样本电路图 ； 0028 图 4 ： 于第二可行实施例中将本发明与振荡器连结的样本电路图 ； 0029 图 5 ： 第二可行实施例中消除噪声的结果数据图 ； 0030 图 6 ： 于第三可行实施例中环形振荡器的样本电路图 ； 0031 图 7 ： 于第三可行实施例中延迟元件的单元样本电路图 ； 0032 图 8 ： 于第三可行实施例中本发明与延迟元件连结的样本电路图 ； 0033 图 9 ： 于第三可行实施例中本发明与环形振荡器连结的样本电路图 ； 以及 。
13、0034 图 10 ： 第三可行实施例中消除噪声的结果数据图。 具体实施方式 0035 为详细说明本发明的技术内容、 构造特征、 所达成目的及功效， 以下兹举例并配合 图式详予说明。 0036 现请参阅图 2， 图中所示为本发明的噪声消除电路示意图， 其中包含一场效电晶体 （Field Effect Transistor,FET） 10， 但此仅用为方便举例说明， 并非加以限制， 本发明所 使用的电晶体亦可为双极性电晶体 （Bipolar Junction Transistor,BJT） ； 在此一实施例 中采用一 N 型场效电晶体 11， 所述 N 型场效电晶体 11 具有一漏极 14， 一。
14、栅极 15 以及一源 极 16。在所述漏极 14 以及栅极 15 之间跨接设有一阻抗元件 20， 在此一实施例中所述阻抗 元件 20 设为一电阻 22， 并以上述 N 型场效电晶体 11 的栅极 15 处与振荡器 ( 图未示 ) 连 接， 使振荡讯号由栅极 15 处进入本发明的噪声消除电路中。此外， 在上述栅极 15 处并连接 说 明 书 CN 103516310 A 4 3/5 页 5 设有一反向电路30， 在此一实施例中上述反向电路设为一反向放大器31， 而在漏极14处则 设有一相加电路40， 借着上述反向放大器31将栅极15处的讯号连同噪声一并反向放大后， 输出至上述相加电路 40 与漏。
15、极 14 处的讯号相加。 0037 由于上述 N 型场效电晶体 11 以及跨接于漏极 14 与栅极 15 上的阻抗元件的作用， 而使上述漏极 14 与栅极 15 处的讯号互为反相， 且保持相位噪声为同相位。则将漏极 14 与 栅极 15 处的讯号以及噪声经过反向放大后相加， 便可使相位噪声消除。然而， 以上 N 型场 效电晶体 11 以及电阻 22 的设置仅为方便说明之用， 并非加以限制。亦即上述场效电晶体 10 亦可视实际使用需求而设置为 P 型场效电晶体， 或使用双极性电晶体， 而上述阻抗元件 可选自电感、 电容、 电阻的其中至少一种元件的组合构成。 0038 本发明中有关噪声电压的进一步。
16、计算表示式如下 ： 0039 其 中，放 大 器 是 gmi, 所 以 , 输 入 阻 抗 ,及 电 压 增 益 场效电晶体 10 的噪声电流为 Ini, 其在漏极 14 处的噪声电流是 Ini,01。其中噪声电流的流向由漏极 14 阻抗元件 20 栅极 15 Rs 0， 因此 噪声电压在漏极 14 与栅极 15 处为同相位， 但讯号的电压则为反相。故 AVF为一负值， 因此 能够消除相位噪声并放大输入讯号。 0040 而在栅极 15 的噪声电压 (VX,n,i) 以及漏极 14 处的噪声电压 (VY,n,i) 分别为 0041 VX,n,i (RS,gmi)In,iRS； 0042 VY,n。
17、,i (RS,gmi)In,i(RS+R) ； 0043 则输出噪声 (VOUT,n,i) 为 0044 VOUT,n,i VY,n,i-VX,n,iAv (RS,gmi)In,i(R+RS-AVRS) ； 0045 因此当输出噪声为 0 时， 可推导出 0046 0047 因此为了使输出噪声电压可完全消除， 上述反向放大器 31 所需的电压增益为 而 0048 所以整个系统的电压增益为 0049 而噪声因子 (F) 如下 ： 0050 F 1+EFMD+EFR+EFA； 0051 其中， EF 为过剩噪声因子 (Excess Noise Factor)， MD 为符合装置 (matching。
18、 device)， R 为阻抗 (resistor)， A 为放大器 (amplifier)， 因此 0052 说 明 书 CN 103516310 A 5 4/5 页 6 0053 0054 0055 在 AV的噪声消除为 AV,C 0056 EFMD,C 0 0057 0058 0059 再请参阅图 3， 图中所示为第一较佳实施例的电路示意图， 在此一较佳实施例中的 振荡器 50 设为一电感 - 电容共振电路 51。在所述电感 - 电容共振电路 51 中设有由一第一 N 型场效电晶体 12 以及一第二 N 型场效电晶体 13 组成的交叉对 17 ； 在上述交叉对 17 的漏 极 14 与栅。
19、极 15 之间并跨接设有两个串联的电感 21 ； 此时上述电感 21 的内阻分别提供上 述第一 N 型场效电晶体 12 以及第二 N 型场效电晶体 13 阻抗， 因而产生阻抗元件 20 的效果 并使上述交叉对 17 将噪声放大且将原始讯号反相。而在上述第一 N 型场效电晶体 12 与第 二 N 型场效电晶体 13 的栅极 15 处更分别连接设有一反向电路 30， 在此一实施例中的反向 电路仍设为一反向放大器 31， 且将所述栅极 15 处输出的讯号反相。此外， 在上述两 N 型场 效电晶体12、 13的漏极14处分别连接设有一相加电路40， 藉所述相加电路40将漏极14讯 号与反向后的栅极 1。
20、5 讯号相加， 进而消除相位噪声并同时放大振荡讯号。 0060 再请参阅图 4， 图中所示为本发明在第二较佳实施例中的电路示意图， 在此一较佳 实施例中设有一振荡器 50， 一第一 N 型场效电晶体 12 与一第二 N 型场效电晶体 13， 上述第 一 N 型场效电晶体 12 与第二 N 型场效电晶体 13 的漏极 14 分别与对方的栅极 15 相连而形 成交叉对 17， 而在上述振荡器 50 与第一 N 型场效电晶体 12 和第二 N 型场效电晶体 13 的 漏极 14 之间进一步设有由第一电阻 63- 第一电容 61 与第二电阻 64- 第二电容 62 所组成 的第一高通滤波器 60 与第。
21、二高通滤波器 601， 藉以将振荡器 50 所输出的讯号中的低频噪 声予以抑制消除。且在上述交叉对 17 的漏极 14 与栅极 15 之间并跨接设有两个串联的电 感 21， 藉所述电感 21 的内阻作为阻抗元件 20 使用， 并提供上述交叉对 17 产生放大噪声以 及将原始讯号反相的效果。而在上述第一 N 型场效电晶体 12 与第二 N 型场效电晶体 13 的 栅极 15 处更分别设有一第一反向放大器 311 与第二反向放大器 312， 使经过上述交叉对 17 之后被反相的振荡讯号以及被放大的噪声再次反相 ； 最后在上述振荡器 50 的输出端则分 别设有一第一源极随偶器65以及第二源极随偶器6。
22、6以取得未经反相处理的噪声以及振荡 讯号， 并将上述讯号叠加之后以消除噪声。 0061 现请参阅图 5， 图中所示为本发明利用联华电子 CMOS0.18um RF/MM 的制程模型参 数加上模拟验证电路后的结果数据， 从图中可知， 当电路设计在 2.4GHz 左右的频率时， 未 装设本发明噪声消除电路时与载波频率偏移 100kHz 时的相位噪声大约为 85dBc/Hz ； 而再 加上本发明的噪声消除电路后可有效将相位噪声降低至 96dBc/Hz， 由此可见本发明可以有 效地消除相位噪声。 说 明 书 CN 103516310 A 6 5/5 页 7 0062 再请参阅图6至图10， 图6中所示。
23、为三级延迟元件53(Delay cell)所组成的环形 振荡器 52(Ring Oscillator)， 图 7 为每一级延迟元件 53 的样本电路， 由于环形振荡器 52 以及其延迟元件 53 的架构并非本发明的重点， 故在此不对其细部结构进行说明。 0063 图 8 为本发明的噪声消除电路的样本电路， 图 9 则为连上本发明的噪声消除电路 后的环形振荡器 52 的样态。 0064 在此一较佳施例中一第一N型场效电晶体12与一第二N型场效电晶体13， 上述第 一 N 型场效电晶体 12 与第二 N 型场效电晶体 13 的漏极 14 分别与对方的栅极 15 相连而形 成交叉对 17， 而在上述。
24、第一 N 型场效电晶体 12 与第二 N 型场效电晶体 13 的漏极 14 与栅极 15 之间分别跨接设有一个电阻 22， 藉所述电阻 22 为阻抗元件 20 使用， 并提供上述交叉对 17 产生放大噪声以及将原始讯号反相的效果。而在上述第一 N 型场效电晶体 12 与第二 N 型场效电晶体13的栅极15处更分别设有一第一反向放大器311与第二反向放大器312， 使 经过上述交叉对 17 的后被反相的振荡讯号以及被放大的噪声再次反相 ； 最后将上述第一 N 型场效电晶体 12 与第二 N 型场效电晶体 13 的漏极 14 处讯号直接与上述第一反向放大器 311 及第二反向放大器 312 反向后。
25、的讯号叠加以消除噪声。 0065 而噪声抑制的结果数据如图 10 所示， 由图中可知未装设本发明噪声消除电路时 的相位噪声大约为 -79.8dBc/Hz100kHz ； 而再加上本发明的噪声消除电路后可有效将相 位噪声降低至 -86.76dBc/Hz100kHz。 0066 综上所述， 本发明藉由场效电晶体将讯号反相的效果， 搭配连接于上述场效电晶 体漏极与栅极之间的阻抗元件， 可有效的以少量元件达成不影响噪声之下将振荡讯号反相 的效果。再利用一反向电路以及一相加电路， 将原始振荡讯号以及反向后的振荡讯号反向 相加， 进而达成消除相位噪声的功效。 说 明 书 CN 103516310 A 7 。
26、1/8 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103516310 A 8 2/8 页 9 图 3 说 明 书 附 图 CN 103516310 A 9 3/8 页 10 图 4 说 明 书 附 图 CN 103516310 A 10 4/8 页 11 图 5 说 明 书 附 图 CN 103516310 A 11 5/8 页 12 图 6 说 明 书 附 图 CN 103516310 A 12 6/8 页 13 图 7 说 明 书 附 图 CN 103516310 A 13 7/8 页 14 图 8 图 9 说 明 书 附 图 CN 103516310 A 14 8/8 页 15 图 10 说 明 书 附 图 CN 103516310 A 15 。