用于以太網(wǎng)物理層時(shí)鐘同步PLL的VCO設(shè)計(jì)

摘要：研究了一種基于以太網(wǎng)物理層時(shí)鐘同步的高帶寬低噪聲壓控振蕩器(VCO)，該VCO采用交叉耦合的電流饑餓型環(huán)形振蕩器，通過(guò)級(jí)聯(lián)11級(jí)環(huán)路電路和改善其控制電壓變換電路，優(yōu)化了VCO的輸出頻率范圍以及降低了輸出時(shí)鐘的相位噪聲，完全滿足以太網(wǎng)物理層芯片時(shí)鐘電路的性能指標(biāo)。基于TSMC 3．3 V 0．25 μm CMOS工藝的仿真結(jié)果表明，中心頻率為250 MHz時(shí)，壓控增益為300 MHz／V，其線性區(qū)覆蓋范圍是60～480 MHz，在偏離中心頻率600 kHz處的相位噪聲為-108 dBc。
關(guān)鍵詞：VCO；環(huán)形振蕩器；電流饑餓型；時(shí)鐘同步

0 引言
在以太網(wǎng)中，物理層芯片(Physical Layer Interface Devices，PHY)是將各網(wǎng)元連接到物理介質(zhì)上的關(guān)鍵部件。負(fù)責(zé)完成互連參考模型(OSI)第I層中的功能，即為鏈路層實(shí)體之間進(jìn)行位傳輸提供物理連接所需的機(jī)械、電氣、光電轉(zhuǎn)換和規(guī)程手段。其功能包括建立、維護(hù)和拆除物理電路，實(shí)現(xiàn)物理層比特(bit)流的透明傳輸?shù)?。物理層包?個(gè)功能層和兩個(gè)上層接口。兩個(gè)上層接口為物理介質(zhì)無(wú)關(guān)層接口(MII)和物理介質(zhì)相關(guān)層接口(MDI)，在MII的上層是邏輯數(shù)據(jù)鏈路層(DLL)，而MDI的下層則直接與傳輸介質(zhì)相連。而這些子層的正常工作都離不開一個(gè)穩(wěn)定精確的時(shí)鐘同步信號(hào)。PLL在物理層芯片的時(shí)鐘同步應(yīng)用中，要求其輸出時(shí)鐘帶寬覆蓋范圍廣，電壓控制頻率線性度好，頻譜純度高。在PLL設(shè)計(jì)過(guò)程中，VCO是最為關(guān)鍵的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，其性能將直接決定PLL的設(shè)計(jì)工作質(zhì)量。近年來(lái)，VCO相位噪聲得到越來(lái)越深入的研究，各種低噪聲VCO結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，文獻(xiàn)中提到的交叉耦合電流饑餓型VCO便是其中一種。電流饑餓是指電路單元的電流受到電流源的鉗制而不能達(dá)到其應(yīng)有的最大值。本文在其基礎(chǔ)上采用了一種有效控制電壓變換電路，保證原有電路優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)擴(kuò)展了線性度，提高抗噪聲能力，有效降低了相位噪聲。

1 VCO延遲單元工作原理
圖1所示為電流饑餓型VCO中的單級(jí)結(jié)構(gòu)。PNP管M1和NPN管M2是延遲單元的組成部分，Ictrl是用于控制電容的放電電流Id1和充電電流Id2，他們是構(gòu)成環(huán)形振蕩器的每一級(jí)。Ictrl控制著流過(guò)M1管和M2管的電流，所以由M1管和M2管構(gòu)成的延遲單元處于電流饑餓狀態(tài)。每一級(jí)遲單元處于電流饑餓狀態(tài)。每一級(jí)的電流都由同一個(gè)電流源所鏡像，所以Id1=Id2同時(shí)電流大小由輸入控制電流Ictrl控制。

反相延遲主要是2個(gè)原因：一個(gè)是RC的充電時(shí)間；另一個(gè)是反相器的預(yù)置電壓。而這2個(gè)延遲時(shí)間的產(chǎn)生都是可以通過(guò)調(diào)整寬長(zhǎng)比來(lái)實(shí)現(xiàn)。環(huán)形反相的次數(shù)必須是奇數(shù)，這樣電路才不會(huì)鎖定導(dǎo)致振蕩失敗。而差動(dòng)結(jié)構(gòu)的振蕩器級(jí)電路數(shù)可以是偶數(shù)，只要將其中的一級(jí)接成不反相的。這種靈活性是差動(dòng)電路優(yōu)于單端電路的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。