壓控振蕩器(VCO)的設計

壓控振蕩器(以下簡稱VCO)已經成為當今無線收發(fā)器系統(tǒng)中不可缺少的模塊, 它是鎖相環(huán)中最重要的block, 他的噪聲性能直接決定了PLL輸出相位噪聲的噪聲性能. 有關PLL整體的分析和設計, 我們將在后期重點討論. 這里先重點討論一下VCO的理論, 設計以及對于廣大初學者最為關心的設計注意點.

根據參考書的理論, 振蕩器其實就是帶有”設計缺陷”的放大器, 分析振蕩器原理主要有兩個方法, 第一. 負反饋理論

ABS(H(jw))>1, 并且deg(H(jw)) =180度, 注意, 這里180度指的是反饋回路是與輸入信號相減再輸入到放大器A中的, 而放大器A的增益絕對值實際上要至少要為1dB, 而不是理論上的0dB.

第二, 負阻抗分析法, 這種方法原理簡單, 形象明了, 不僅用于振蕩器分析, 也經常用于帶有反饋結構電路的振蕩與否的分析.

振蕩器常用的類型有環(huán)形振蕩器, LC振蕩器, 前者主要應用于低頻模擬設計中, 今天我們主要談一下LC振蕩器的設計, 現(xiàn)在IC芯片設計中, 比較流行的LC差分結構, 核心差分管可以是MOS, 也可以是bipolar, biploar結構一般頻率設計的可以較高, 相同電流下易起振(gm較大) , 而MOS管還可以分為NMOS型和PMOS型, 在CMOS工藝下, 比如在64QAM以上的調制的系統(tǒng)中, 對相位噪聲的性能要求較高, 則一般設計成PMOS結構.

圖2. NMOS型VCO

一般判斷NMOS型VCO是否起振的條件為Rp-2/gm>0, Rp為平行諧振回路的總阻抗(Rl//Rc//Rother), gm為單個NMOS管子開環(huán)時的gm,

圖3 bipolar LC VCO

判斷bipolar型VCO是否起振的條件為Rp-1/gm>0, 注意與上式的區(qū)別, gm只要大于1/Rp即可起振, 而NMOS型, gm要大于2/Rp才能起振, 也就是說相同的振蕩頻率, 振蕩范圍, bipolar型VCO所需要的功率消耗是mos的一半, 這也是為什么在高頻振蕩電路中, 現(xiàn)在還往往選用bipolar型VCO結構.

現(xiàn)在最流行的設計結構即圖3所示, 筆者在VCO設計中, 有一定的經驗和專利, 如果詳細談VCO的設計的話, 可能篇幅會很長, 這里主要談一下其設計要點.

1) 關于inductor的設計

一般受process工藝的限制, ind的選用也有諸多限制, 比如沒有全差分型的ind, 或者ind的寄生電阻值較大, 導致Rp變大, 增加設計難度. 如果有條件設計ind的話, 我們會碰到如何對ind參數抽出及仿真的問題, 這里我會另設一篇文章專門談談ind的設計, 等效電路建立, 參數提取,以及如何通過S參數測試實際的電感值和Q值, R值.

總的來說, 在設計VCO的時候, 最好對ind先進行AC仿真, 了解你所使用的ind的Q曲線, freq曲線等特性.

2) 圖3中基極電容的作用

基極電容可是使vco振蕩信號幅度加大, 使其在非放大區(qū)也能工作. 電容要取適當, 太大相當于增加寄生電容, 頻率下降, 太小隔離作用減小, 輸出信號幅度減少.

3) 關于varactor

Varactor一般也分MOS型和PN型, MOS型一般可變范圍在-0.5-+0.5V, 變化率較陡, 范圍較窄, 而PN型一般在0-Vdd之間都變法, 范圍較寬, 但是PN型由于要反向加偏壓的緣故, 需要與其串接一個電容(直流隔離), 這個電容的大小又反過來影響了varactor的可變范圍. PN還有一個缺點,就是它的溫度特性要比MOS來的大, 也就是用它來設計的VCO的溫度特性需要特別注意, 如果過大, 則需要采取一些溫度補償措施來防止溫度變化中PLL的失鎖問題的出現(xiàn).

這里還有一點需要注意, 從Vctrl端看VCO, 往往存在較大的寄生電容, 所以在設計PLL的環(huán)形濾波器時, 需要把其考慮進去