兩種高頻CMOS壓控振蕩器的設(shè)計(jì)與研究

鎖相環(huán)在通訊技術(shù)中具有重要的地位，在調(diào)制、解調(diào)、時(shí)鐘恢復(fù)、頻率合成中都扮演著不可替代的角色。可控振蕩器是鎖相環(huán)的核心部分。最近，鑒于對(duì)集成電路低功耗和高集成度的追求，越來(lái)越多的研究人員投人到基于CMOS工藝的壓控振蕩器的設(shè)計(jì)。環(huán)形壓控振蕩器因?yàn)榫哂袑挼恼{(diào)諧范圍和小的芯片面積，在電路的精心設(shè)計(jì)下也可以具有不錯(cuò)的相位噪聲性能，從而在數(shù)字通信系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。而隨著CMOS工藝特征尺寸的不斷減小，根據(jù)CMOS工藝按比例縮小理論，電源電壓也要同比例降低。與采用1．8 V電源電壓的0．18 μm CMOS工藝相比，傳統(tǒng)全差分延時(shí)單元結(jié)構(gòu)的輸出信號(hào)的擺幅被限制在非常小的區(qū)域內(nèi)，不但降低了輸出信號(hào)的信噪比(SNR)，而且必須經(jīng)過(guò)放大等一系列處理后才能送給下一級(jí)電路。文中分析了影響壓控振蕩器性能的重要參數(shù)，同時(shí)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了兩種多諧壓控振蕩器，給出了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 VCO的工作原理與性能指標(biāo)
VCO是一個(gè)電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路，在環(huán)路中作為被控振蕩器，它的輸出頻率應(yīng)隨控制電壓線性地變化。一個(gè)理想的VCO其輸出頻率和輸入頻率的關(guān)系
ωout=ω0+KVCOVcont (1)
式中，ω0是控制電壓Vcont為零時(shí)的振蕩器的固定頻率，KVCO為VCO的增益或靈敏度(單位為rad／s?V-1)。
由式(1)可以推導(dǎo)出VCO的傳輸函數(shù)

由式(2)可以得出，當(dāng)VCO被放在鎖相環(huán)中時(shí)，其輸出經(jīng)分頻器后接到鑒相器的輸入，對(duì)鑒相器輸出起作用的不是其頻率，而是相位。所以在鎖相環(huán)中VCO通常被看作輸入為控制電壓，輸出為相位的系統(tǒng)。
所以VCO在鎖相環(huán)系統(tǒng)中就像一個(gè)理想的積分器，其傳輸函數(shù)可以表示為

在實(shí)際應(yīng)用中，VCO的線性范圍有限，超出這個(gè)范圍之后，環(huán)路的參數(shù)就會(huì)變化較大，不利于環(huán)路設(shè)計(jì)。通常，評(píng)價(jià)VCO的好壞主要有以下特征：
(1)低抖動(dòng)或低相位噪聲：由于電路結(jié)構(gòu)、電源噪聲、地噪聲等因素的影響，VCO的輸出信號(hào)并不是理想的方波或正弦波，其輸出信號(hào)存在一定的抖動(dòng)，轉(zhuǎn)換成頻域后可看出信號(hào)中心頻率附近也會(huì)有較大的能量分布，即相位噪聲。VCO輸出信號(hào)的抖動(dòng)直接影響其他電路的設(shè)計(jì)，通常希望VCO抖動(dòng)越小越好；
(2)寬鎖定范圍：VCO的調(diào)節(jié)范圍直接影響鎖相環(huán)的調(diào)節(jié)范圍，通常隨著工藝偏差、溫度以及電源電壓的變化，VCO的鎖定范圍也會(huì)隨著變化，因此要求VCO有足夠?qū)挼恼{(diào)節(jié)范圍來(lái)保證VCO的輸出頻率能夠滿足設(shè)計(jì)的要求；
(3)穩(wěn)定的增益：VCO的電壓一頻率非線性是產(chǎn)生噪聲的主要原因之一，同時(shí)，這種非線性也會(huì)給電路設(shè)計(jì)帶來(lái)不確定性，變化的VCO增益會(huì)影響環(huán)路參數(shù)，從而影響鎖相環(huán)的穩(wěn)定性。因此，希望VCO的增益變化越小越好。

2 VCO的設(shè)計(jì)
環(huán)形振蕩器是常見(jiàn)的振蕩器類(lèi)型，它由若干增益級(jí)電路及聯(lián)組成。一般它的振蕩頻率很高，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)。基本組成單元可以是反相器或差分對(duì)。
2．1 反相器環(huán)形VCO設(shè)計(jì)
單級(jí)的反相器只能提供180°的相差，為了滿足相位條件，最簡(jiǎn)單的環(huán)形振蕩器應(yīng)當(dāng)至少由3個(gè)反相器串聯(lián)組成。隨著振幅的不斷增大，各級(jí)電路會(huì)經(jīng)歷非線性，而達(dá)到飽和狀態(tài)，此時(shí)振幅和頻率都處于穩(wěn)定狀態(tài)。用大信號(hào)分析其振蕩周期，假設(shè)每級(jí)反相器的延遲時(shí)間都是T，通過(guò)分析可以得出每個(gè)反相器在經(jīng)歷6T時(shí)間后又回到初始狀態(tài)，所以振蕩周期為6T，同理可得Ⅳ級(jí)反相器的周期為2NT。由此推導(dǎo)出Ⅳ級(jí)反相器構(gòu)成的振蕩回路的頻率為1/2NT。
環(huán)路反相的次數(shù)必須為奇數(shù)，否則不滿足巴豪森法則的相位條件。在設(shè)計(jì)中3或5級(jí)反相就能達(dá)到比較好的效果，當(dāng)然如果設(shè)計(jì)需要可以有更多個(gè)反相器級(jí)聯(lián)。
每個(gè)單元的延時(shí)時(shí)間與流過(guò)反相器的電流、反相器的寬長(zhǎng)比、電壓、工藝有關(guān)。VCO1用單反向器延遲單元串聯(lián)的形式組成了最簡(jiǎn)單的多諧振蕩器，其最高頻率為3．3 GHz，結(jié)構(gòu)如圖1所示。該振蕩器使用特殊的機(jī)理，分為控制和延遲反饋兩部分，利用控制MOS管的短溝效應(yīng)通過(guò)電流鏡決定整個(gè)電路的振蕩頻率。由于沒(méi)有外加元件，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，極小的寄生參數(shù)提高了工作頻率。

2．2 差分環(huán)形VCO設(shè)計(jì)
差分對(duì)型VCO主要由差分對(duì)延時(shí)構(gòu)成，差分延時(shí)單元由壓控電流源、電阻負(fù)載以及NMOS管構(gòu)成。通過(guò)控制壓控電流源的電流可以控制環(huán)路的振蕩頻率。VCO2采用的這種飽和型雙延時(shí)結(jié)構(gòu)的差分延時(shí)單元電路，如圖2所示，利用4級(jí)該延時(shí)單元組成的環(huán)形壓控振蕩器電路結(jié)構(gòu)，如圖3所示。在圖2中，電路通過(guò)兩個(gè)PMOS負(fù)載M3和M4組成CMOS鎖存器(Latch)，交叉連接的NMOS晶體管M7和M8控制PMOS負(fù)載的柵電壓并限制鎖存器的鎖存強(qiáng)度。通過(guò)該鎖存器的正反饋，延遲單元工作在全開(kāi)關(guān)狀態(tài)，減小了在振蕩周期中開(kāi)啟時(shí)間所占的比例。外加電壓通過(guò)交叉連接的NMOS場(chǎng)效應(yīng)管M7，M8控制PMOS負(fù)載場(chǎng)效應(yīng)管M3，M4的柵極電壓，從而調(diào)節(jié)該單元的延時(shí)；場(chǎng)效應(yīng)管M5，M6的柵極接附加的級(jí)間正反饋，可以減小信號(hào)的上升下降時(shí)間、提高振蕩器的振蕩頻率并降低相位噪聲。采用4級(jí)這種延時(shí)單元構(gòu)成的環(huán)形壓控振蕩器結(jié)構(gòu)，如圖3所示，OUT+和OUT-是振蕩器的差分輸出，V_cd是電壓控制端。