《電子技術(shù)應(yīng)用》
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兩種高頻CMOS壓控振蕩器的設(shè)計(jì)與研究
摘要: 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。
Abstract:
Key words :

  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,??煽卣袷幤魇擎i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)

公式

  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

公式

  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)形振蕩器是常見的振蕩器類型,,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),?;窘M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)通過電流鏡決定整個(gè)電路的振蕩頻率,。由于沒有外加元件,而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,,極小的寄生參數(shù)提高了工作頻率,。

反相器環(huán)行振蕩器

  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,。通過該鎖存器的正反饋,,延遲單元工作在全開關(guān)狀態(tài),減小了在振蕩周期中開啟時(shí)間所占的比例,。外加電壓通過交叉連接的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。

 

差分延時(shí)單元電路

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)

  3 仿真結(jié)果和性能分析

  文中給出兩種多諧VCO:一種是3級(jí)反相器環(huán)形振蕩器(VCO1),;另一種是4級(jí)差分環(huán)形振蕩器(VCO2),。這兩種多諧振蕩器在其中心頻率的輸出波形,如圖4(a),,圖4(b)所示,。VCO1和VCO2的壓頻特性,如圖5(a)和圖5(b)所示,。本次設(shè)計(jì)采用了標(biāo)準(zhǔn)0.18μm n阱3層金屬CMOS工藝,,提取版圖的網(wǎng)表和模擬參數(shù),進(jìn)行后仿真,。圖6(a),,圖6(b)分別為VCO1和VCO2的版圖。表1列舉了這兩種VCO的主要特性,。

頻率輸出波形圖

壓頻特性

VCO1和VCO2的版圖

這兩種VCO的主要特性

  通過以上對(duì)兩種VCO的性能分析,,得出這樣的結(jié)論:反相器環(huán)形VCO的優(yōu)點(diǎn)是電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,,振蕩頻率可以被設(shè)計(jì)得很高,,但是它對(duì)電源或地的噪聲比較敏感,相位抖動(dòng)較大,。差分對(duì)型VCO的優(yōu)點(diǎn)是差分信號(hào)可以抑制地噪聲或電源噪聲,,相位抖動(dòng)較小。缺點(diǎn)是帶寬有限,,不適于高頻應(yīng)用,。

  4 結(jié)束語

  文中給出兩種高速CMOS多諧壓控振蕩器,采用了標(biāo)準(zhǔn)0.18μm CMOS制造工藝實(shí)現(xiàn)了較高的工作頻率和低功耗,。由于該電路不需要任何外加元件,,容易實(shí)現(xiàn)高集成密度。

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