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1、(10)申请公布号 CN 103731099 A (43)申请公布日 2014.04.16 CN 103731099 A (21)申请号 201310412237.6 (22)申请日 2013.09.11 61/712,328 2012.10.11 US 13/798,122 2013.03.13 US H03B 5/04(2006.01) (71)申请人 联发科技 （新加坡） 私人有限公司 地址 新加坡启汇城大道一号索拉斯大厦三 楼之一 (72)发明人 章华江 (74)专利代理机构 北京万慧达知识产权代理有 限公司 11111 代理人 杨颖 张金芝 (54) 发明名称 电压至电流转换器及压控。
2、振荡器 (57) 摘要 本发明提供一种电压至电流转换器及压控振 荡器， 该电压至电流转换器用于转换输入电压以 产生输出电流， 包含 ： 输入端， 用于接收该输入电 压 ； 电阻， 耦接至该输入端 ； 电流镜， 耦接至该电 阻， 用于镜像一参考电流以产生镜像电流， 其中该 参考电流至少依据流经该电阻的电流而生成 ； 以 及电流产生电路， 耦接至该电流镜， 用于至少依据 该镜像电流产生该输出电流。本发明实施例能够 实现小增益以阻止噪声及电源推进问题， 其无需 使用多个子频带以及数字控制 / 校准也能够覆盖 要求的频率范围。 此外， 本发明实施例通过使用一 简单且低成本的电路结构便可线性地覆盖全部或。
3、 大部分的输入范围。 (30)优先权数据 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 4 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2页 说明书4页 附图4页 (10)申请公布号 CN 103731099 A CN 103731099 A 1/2 页 2 1. 一种电压至电流转换器， 用于转换输入电压以产生输出电流， 其特征在于， 该电压至 电流转换器包含 ： 输入端， 用于接收该输入电压 ； 电阻， 耦接至该输入端 ； 电流镜， 耦接至该电阻， 用于镜像一参考电流以产生镜像电流， 其中该参考电流至少依 据流经该电阻的电流而生成 ； 以及 。
4、电流产生电路， 耦接至该电流镜， 用于至少依据该镜像电流产生该输出电流。 2. 如权利要求 1 所述的电压至电流转换器， 其特征在于， 该电压至电流转换器还包含 ： 第一电流源， 用于提供第一电流至该电流镜 ； 以及 第二电流源， 用于提供第二电流至该电流镜 ； 其中该第一电流大于或等于该第二电流。 3. 如权利要求 2 所述的电压至电流转换器， 其特征在于， 该参考电流依据该第一电流 以及流经该电阻的电流而生成。 4. 如权利要求 2 所述的电压至电流转换器， 其特征在于， 该电流产生电路通过利用该 电流镜与该第二电流来产生该输出电流。 5. 如权利要求 2 所述的电压至电流转换器， 其特征。
5、在于， 该电流镜还包含 ： 共源共栅连接的第一晶体管与第二晶体管， 其中该第一晶体管与第二晶体管的每一者 均包含第一节点、 第二节点与控制节点， 该第一晶体管的第一节点连接至该第二晶体管的 第二节点， 以及该第二晶体管的第一节点连接至该第一电流源 ； 共源共栅连接的第三晶体管与第四晶体管， 其中该第三晶体管与第四晶体管的每一者 均包含第一节点、 第二节点与控制节点， 该第三晶体管的第一节点连接至该第四晶体管的 第二节点， 该第三晶体管的控制节点连接至该第一晶体管的控制节点， 该第四晶体管的控 制节点连接至该第二晶体管的控制节点， 以及该第四晶体管的第一节点连接至该第二电流 源 ； 其中该电阻连。
6、接至该第一晶体管的第一节点。 6. 如权利要求 5 所述的电压至电流转换器， 其特征在于， 该电流产生电路包含第五晶 体管， 该第五晶体管连接至该第四晶体管的第一节点。 7. 如权利要求 1 所述的电压至电流转换器， 其特征在于， 该电阻为一可变电阻。 8. 一种压控振荡器， 其特征在于， 包含 ： 如权利要求 1-7 任一所述的电压至电流转换器， 用于转换输入电压以产生输出电流 ； 以及 电流控制振荡器， 耦接至该电压至电流转换器中的电流产生电路， 用于依据该电压至 电流转换器产生的该输出电流产生输出频率信号。 9. 如权利要求 8 所述的压控振荡器， 其特征在于， 该电流控制振荡器包含 ：。
7、 电流镜， 用于镜像该电压至电流转换器产生的输出电流 ； 环形振荡器， 耦接于该电流镜， 用于依据该电流镜镜像生成的输出电流产生该输出频 率信号。 10. 一种压控振荡器， 其特征在于， 包含 ： 电压至电流转换器， 用于转换输入电压以产生输出电流， 包含 ： 权 利 要 求 书 CN 103731099 A 2 2/2 页 3 输入端， 用于接收该输入电压 ； 电阻， 耦接至该输入端 ； 第一电流源， 用于提供第一电流 ； 第二电流源， 用于提供第二电流 ； 电流镜， 于一耦接节点耦接至该电阻并耦接至该第一电流源与该第二电流源， 用于依 据方程式 Ir=(Vtune-VA)/Rin+n*IB。
8、 来镜像一参考电流以产生镜像电流， 其中 Ir 代表该参 考电流及该镜像电流， Vtune 代表该输入电压， VA 代表该耦接节点处的电压， Rin 代表该电 阻的阻值， 以及 n*IB 代表该第一电流 ； 以及 电流产生电路， 耦接至该电流镜， 用于依据方程式 Itune=Ir-IB 来产生该输出电流， 其 中 IB 代表该第二电流 ； 电流控制振荡器， 耦接至该电流产生电路， 用于依据该输出电流产生输出频率信号。 权 利 要 求 书 CN 103731099 A 3 1/4 页 4 电压至电流转换器及压控振荡器 0001 【技术领域】 本发明领域是关于一种电压至电流转换器及包含该电压至电流。
9、转换 器的压控振荡器， 尤其是关于一种可实现小增益以阻止噪声及电源推动问题且使用一简单 低成本的电路结构便可覆盖全部或大部分的输入范围的电压至电流转换器及压控振荡器。 【背景技术】 0002 为了扩展频率范围以及克服制程、 电压和温度 （PVT） 变化， 电压控制振荡器通常需 要一较大的增益。 但是该较大增益可能会引起更多的噪声以及电源推动 （supply pushing） 问题， 该电源推动问题例如由对电源电压变化的敏感度的增加而引起。因此为了解决该问 题， 一种提供一组子频带， 每个子频带具有相对压控振荡器的较小增益的方法予以提出， 该 方法能够阻止上述噪声问题以及电源推动问题的产生。但是。
10、该方法的缺点在于， 由于该技 术需要数字校准过程， 因此制造成本会大幅上升。另一种具有线性输入电压特性的压控振 荡器也可以具有上述的小增益特征， 而且无需使用数字校准， 但是该方法的缺点在于， 这种 类型的压控振荡器的线性范围无法覆盖全部的输入范围。 【发明内容】 0003 有鉴于此， 本发明实施例的目的之一在于提供一种具有线性电压至电流转换器的 压控振荡器， 该压控振荡器具有小增益， 无需使用数字校准， 并能覆盖全部输入范围的绝大 部分， 以解决上述问题。 0004 一方面， 本发明实施例提供一种电压至电流转换器， 用于转换输入电压以产生输 出电流， 该电压至电流转换器包含 ： 输入端， 用。
11、于接收该输入电压 ； 电阻， 耦接至该输入端 ； 电流镜， 耦接至该电阻， 用于镜像一参考电流以产生镜像电流， 其中该参考电流至少依据流 经该电阻的电流而生成 ； 以及电流产生电路， 耦接至该电路镜， 用于至少依据该镜像电流产 生该输出电流。 0005 另一方面， 本发明实施例提供一种压控振荡器， 该压控振荡器包含上述的电压至 电流转换器以及一电流控制振荡器， 该电流控制振荡器， 耦接至该电压至电流转换器中的 电流产生电路， 用于依据该电压至电流转换器产生的该输出电流产生输出频率信号。 0006 再一方面， 本发明实施例提供一种压控振荡器， 该压控振荡器包含电压至电流转 换器及电流产生电路。 。
12、该电压至电流转换器用于转换输入电压以产生输出电流， 包含 ： 输入 端， 用于接收该输入电压 ； 电阻， 耦接至该输入端 ； 第一电流源， 用于提供第一电流 ； 第二电 流源， 用于提供第二电流 ； 电流镜， 于一耦接节点耦接至该电阻并耦接至该第一电流源与该 第二电流源， 用于依据方程式 Ir=(Vtune-VA)/Rin+n*IB 来镜像一参考电流以产生镜像电 流， 其中Ir代表该参考电流及该镜像电流， Vtune代表该输入电压， VA代表该耦接节点处的 电压， Rin 代表该电阻的阻值， 以及 n*IB 代表该第一电流 ； 以及电流产生电路， 耦接至该电 路镜， 用于依据方程式 Itune。
13、=Ir-IB 来产生该输出电流， 其中 IB 代表该第二电流。该电流 控制振荡器， 耦接至该电流产生电路， 用于依据该输出电流产生输出频率信号。 0007 本发明实施例的电压至电流转换器及压控振荡器， 可以实现小增益以阻止噪声及 说 明 书 CN 103731099 A 4 2/4 页 5 电源推动问题， 其无需使用多个子频带以及数字控制 / 校准也能够覆盖要求的频率范围。 此外， 本发明实施例通过使用一简单且低成本的电路结构便可线性地覆盖全部或大部分的 输入范围。 【附图说明】 0008 图 1 所示为依据本发明一实施例的压控振荡器的电路示意图 ； 0009 图 2A 所示为依据本发明实施例。
14、的当 n=1 时频率 fvco 与输入电压 Vtune 之间的关 系示意图 ； 0010 图 2B 所示为依据本发明实施例的当 n1 时频率 fvco 与输入电压 Vtune 之间的关 系示意图 ； 0011 图 3 所示为依据本发明另一实施例的压控振荡器的电路示意图。 【具体实施方式】 0012 在说明书及后续的权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的元件。 本领域技术 人员应可理解， 制造商可能会用不同的名词来称呼同样的元件。本说明书及后续的权利要 求并不以名称的差异来作为区分元件的方式， 而是以元件在功能上的差异来作为区分的准 则。在通篇说明书及后续的权利要求项当中所提及的 包含 为一开放。
15、式的用语， 故应解释 成 包含但不限定于 。另外，耦接 一词在本文中应解释为包含任何直接及间接的电气连 接手段。 因此， 若文中描述第一装置耦接于第二装置， 则代表该第一装置可直接电气连接于 该第二装置， 或通过其他装置或连接手段间接地电气连接至该第二装置。 0013 请参见图1， 图1所示为依据本发明一实施例的压控振荡器100的电路示意图。 其 中， 该压控振荡器 100 用于接收输入电压 Vtune 以产生输出频率信号 Fout。如图 1 所示， 该 压控振荡器 100 包含电压至电流 （V/I） 转换器 110 以及电流控制振荡器 （ICO） 120。该电 压至电流转换器 110 包含输。
16、入端 Nin， 一电阻 Rin， 第一电流源 114， 第二电流源 116， 电流镜 112以及电流产生电路118， 其中该电流镜112包含四个晶体管M1-M4， 晶体管M1与M2为共 源共栅 （cascode） 连接， 以及晶体管 M3 与 M4 也为共源共栅 （cascode） 连接。晶体管 M2 连 接至第一电流源 114， 晶体管 M4 连接至第二电流源 116， 以及电阻 Rin 连接至晶体管 M2 的 源极与晶体管 M1 的漏极。电流产生电路 118 通过一晶体管 M5 予以实现。此外， 该电流控 制振荡器120包含四个晶体管M6-M9以及一环形振荡器122， 其中该环形振荡器12。
17、2包含三 个反相器 124_1-124_3。此外， 在本实施例中， 上述晶体管 M1-M4， M8 与 M9 为 N 型金属氧化 物半导体 （NMOS） 晶体管， 而晶体管 M5-M7 为 PMOS 晶体管。 0014 该第一电流源 114 提供第一电流 nIB 至晶体管 M2， 以及第二电流源 116 提供第 二电流 IB 至晶体管 M4， 其中第一电流 nIB 大于或等于第二电流 IB（即 n=1） 。 0015 于压控振荡器 100 的运作过程中， 参考电流 Ir 依据流经电阻 Rin 的电流及第一 电流源 114 产生的该第一电流 nIB 而产生， 从而该参考电流 Ir=Iin+nIB。
18、=(Vtune-VA)/ Rin+nIB， 其中 VA 为电流镜 112 与电阻 Rin 的连接节点 A（可参见图 1 所示） 处的电压。 电流镜 112 镜像该参考电流 Ir 以产生镜像电流， 流经晶体管 M3 与 M4。接着， 流经晶体管 M5 的输出电流 Itune=Ir-IB。因此， 该电压至电流转换器 110 的输出电流 Itune 可以由下 述方程式决定 ： 说 明 书 CN 103731099 A 5 3/4 页 6 0016 Itune Ir-IB (Vtune-VA)/Rin+n*IB-IB （1） 0017 如上述方程式 （1）所示， 电压至电流转换器 110 的输出电流 。
19、Itune 与输入电压 Vtune 之间的关系是线性的。具体地， 当 n1 以及 n 设置为大于某一特定值时， 电压至电流 转换器 110 的线性范围可以覆盖全部的输入范围， 也就是说在输入电压 Vtune 位于 0-VA 之 间时， 输出电流 Itune 与输入电压 Vtune 之间的关系也是线性的。此外， 当 n=1 时， 输出电 流 Itune 与输入电压 Vtune 之间的关系在输入电压 Vtune 位于 0-VA 之间时并非是线性的， 但是此时该电压至电流转换器 110 的线性范围仍然可以覆盖输入范围的绝大部分。 0018 晶体管 M6 与 M7 镜像流经晶体管 M5 的输出电流 I。
20、tune， 以及环形振荡器 122 根据 输出电流 Itune 产生一输出频率信号 Fout。该输出频率信号 Fout 的频率 fvco 如下述方程 式所示 ： 0019 fvco 1/(N*td) Itune/(N*CL*(VDD-VSS) （2） 0020 其中 N 为环形振荡器 122 中包含的反相器的数量， 例如在图 1 所示的实施例中， N=3， td 为每个反相器的延迟量， CL 为反相器一端的电容值， 以及 VDD 与 VSS 为环形振荡器 122 的电源电压。 0021 参见上述方程式 （1） 与 （2） ， 该压控振荡器的输出频率信号 Fout 的频率 fvco 可以 表示为。
21、下述方程式 ： 0022 0023 图 2A 所示为依据本发明实施例的当 n=1 时频率 fvco 与输入电压 Vtune 之间的关 系示意图。图 2B 所示为依据本发明实施例的当 n1 时频率 fvco 与输入电压 Vtune 之间的 关系示意图。如图 2B 所示， 该频率 fvco 与输入电压 Vtune 之间的关系在输入电压 Vtune 的整个输入范围内均是线性的。 0024 综上所述， 在图 1 所示的压控振荡器 100 中， 该压控振荡器 100 能够实现一小增益 特征以阻止噪声与电源推动问题， 而且该压控振荡器 100 无需使用多个子频带以及数字校 准也能够覆盖要求的频率范围。此外。
22、， 该压控振荡器 100 通过使用一简单且低成本的电路 结构便可线性地覆盖全部或大部分的输入范围。 0025 因此， 由于压控振荡器100具有上述优点， 该压控振荡器100尤其适用于近场通信 （near field communication， NFC） 或射频辨识 （radio frequency identification， RFID） 设备中， 该类设备通常需要一简单的电路结构但并不愿使用数字处理程序。 0026 需要注意的是， 图 1 所示的压控振荡器仅是描述了本发明的一种示例性实施方 式， 而并非对本发明的限制。在其他的实施例中， 晶体管 M2 的漏极可以不连接至晶体管 M1 的栅。
23、极， 以及晶体管 M1 的栅极可以连接一适当的偏置电压。电阻 Rin 可以为可变电阻或 者具有固定阻值的电阻。该电流产生电路 118 可以通过两个共源共栅连接的晶体管予以实 现。该电流控制振荡器 120 可以实现为另一电路结构， 以及该环形振荡器 122 可以替换为 其他任意合适的振荡器。 上述的所有这些可选的设计均应落入至本发明实施例所保护的范 畴之内。 0027 请参见图 3， 图 3 所示为依据本发明另一实施例的压控振荡器 300 的电路示意图， 该压控振荡器300用于接收输入电压Vtune以产生一输出频率信号Fout。 如图3所示， 该压 说 明 书 CN 103731099 A 6 。
24、4/4 页 7 控振荡器 300 包含电压至电流 （V/I） 转换器 310 以及电流控制振荡器 （ICO） 320。该电压至 电流转换器 310 包含输入端 Nin， 电阻 Rin， 第一电流源 314， 第二电流源 316， 电流镜 312 以 及电流产生电路 318。其中该电流镜 312 包含四个晶体管 M1-M4， 晶体管 M1 与 M2 为共源共 栅 （cascode） 连接， 晶体管 M3 与 M4 为共源共栅 （cascode） 连接， 晶体管 M2 连接至第一电流 源314， 晶体管M4连接至第二电流源316， 以及电阻Rin连接至晶体管M2的源极以及晶体管 M1 的漏极。电流。
25、产生电路 318 通过晶体管 M5 予以实现。此外， 该电流控制振荡器 320 包含 四个晶体管 M6-M9 以及环形振荡器 322， 该环形振荡器 322 包含三个反相器 324_1-324_3。 此外， 在本实施例中， 晶体管 M1-M4， M8 以及 M9 为 PMOS 晶体管， M5-M7 为 NMOS 晶体管。 0028 该第一电流源 314 提供第一电流 nIB 至晶体管 M2， 以及第二电流源 316 提供第 二电流 IB 至晶体管 M4， 其中第一电流 nIB 大于或等于第二电流 IB（即 n=1） 。 0029 图 3 所示的压控振荡器 300 与图 1 所示的压控振荡器 1。
26、00 相似， 其区别在于， 图 1 中所示的通过 PMOS 实现的电路在图 3 中通过 NMOS 予以实现， 而在图 1 中所示的通过 NMOS 实现的电路在图 3 中通过 PMOS 予以实现， 以及各自的电路布置分别依据 NMOS/PMOS 的具体 实作。 0030 由于该相似性， 有关图 3 所示的压控振荡器 300 的详细运作可以参见上述对图 1 所示的压控振荡器 100 的描述而予以了解。图 3 所示的压控振荡器 300 同样可以实现小增 益以阻止噪声及电源推进问题， 以及压控振荡器 300 同样无需使用多个子频带以及数字控 制 / 校准也能够覆盖要求的频率范围。此外， 该压控振荡器 。
27、300 通过使用一简单且低成本 的电路结构便实现了可线性地覆盖全部或大部分的输入范围。 0031 此外， 由于压控振荡器 300 具有上述优点， 该压控振荡器 300 尤其适用于 NFC 或 RFID 设备中， 该类设备通常需要一简单的电路结构但并不愿使用数字处理程序。 0032 需要注意的是， 图 3 所示的压控振荡器 300 仅是描述了本发明的一种示例性实施 方式， 而并非对本发明的限制。在其他的实施例中， 晶体管 M2 的漏极可以不连接至晶体管 M1的栅极， 以及晶体管M1的栅极可以连接一适当的偏置电压。 电阻Rin可以为可变电阻或 者具有固定阻值的电阻。该电流产生电路 318 可以通过。
28、两个共源共栅连接的晶体管予以实 现。该电流控制振荡器 320 可以实现为另一电路结构， 以及该环形振荡器 322 可以替换为 其他任意合适的振荡器。 上述的所有这些可选的设计均应落入至本发明实施例所保护的范 畴之内。 0033 本发明实施例的压控振荡器包含一电压至电流转换器以及电流控制振荡器， 其中 该电压至电流转换器能够线性地将输入电压转换为输出电流， 以及电流控制振荡器通过使 用该输出电流产生输出频率信号。相比于传统的压控振荡器电路， 本发明实施例的压控振 荡器可以实现一小增益， 无需使用多个子频带以及数字控制 / 校准也能够覆盖要求的频率 范围， 以及该压控振荡器通过使用一简单且低成本的。
29、电路结构便可线性地覆盖全部或大部 分的输入范围。 0034 虽然本发明已以较佳实施例揭露如上， 然其并非用以限定本发明， 本领域任何技 术人员， 在不脱离本发明的精神和范围内， 当可做些许更动与润饰， 因此本发明的保护范围 当视本发明的权利要求书所界定的范围为准。 说 明 书 CN 103731099 A 7 1/4 页 8 图 1 说 明 书 附 图 CN 103731099 A 8 2/4 页 9 图 2A 说 明 书 附 图 CN 103731099 A 9 3/4 页 10 图 2B 说 明 书 附 图 CN 103731099 A 10 4/4 页 11 图 3 说 明 书 附 图 CN 103731099 A 11 。