鎖相環(huán)在通訊技術中具有重要的地位,，在調制,、解調、時鐘恢復,、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計,。環(huán)形壓控振蕩器因為具有寬的調諧范圍和小的芯片面積，在電路的精心設計下也可以具有不錯的相位噪聲性能,，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)全差分延時單元結構的輸出信號的擺幅被限制在非常小的區(qū)域內，不但降低了輸出信號的信噪比(SNR),，而且必須經(jīng)過放大等一系列處理后才能送給下一級電路,。文中分析了影響壓控振蕩器性能的重要參數(shù)，同時設計實現(xiàn)了兩種多諧壓控振蕩器,，給出了相應的實驗結果,。

　　1 VCO的工作原理與性能指標

　　VCO是一個電壓/頻率轉換電路，在環(huán)路中作為被控振蕩器,，它的輸出頻率應隨控制電壓線性地變化,。一個理想的VCO其輸出頻率和輸入頻率的關系

ωout=ω0+KVCOVcont (1)

　　式中，ω0是控制電壓Vcont為零時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)可以推導出VCO的傳輸函數(shù)

　　由式(2)可以得出，當VCO被放在鎖相環(huán)中時,，其輸出經(jīng)分頻器后接到鑒相器的輸入,，對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)中就像一個理想的積分器,，其傳輸函數(shù)可以表示為

　　在實際應用中,，VCO的線性范圍有限，超出這個范圍之后,，環(huán)路的參數(shù)就會變化較大,，不利于環(huán)路設計。通常,，評價VCO的好壞主要有以下特征：

　　(1)低抖動或低相位噪聲：由于電路結構,、電源噪聲、地噪聲等因素的影響,，VCO的輸出信號并不是理想的方波或正弦波,，其輸出信號存在一定的抖動，轉換成頻域后可看出信號中心頻率附近也會有較大的能量分布,，即相位噪聲,。VCO輸出信號的抖動直接影響其他電路的設計，通常希望VCO抖動越小越好,；

　　(2)寬鎖定范圍：VCO的調節(jié)范圍直接影響鎖相環(huán)的調節(jié)范圍,，通常隨著工藝偏差、溫度以及電源電壓的變化,，VCO的鎖定范圍也會隨著變化,，因此要求VCO有足夠寬的調節(jié)范圍來保證VCO的輸出頻率能夠滿足設計的要求；

　　(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,，這種非線性也會給電路設計帶來不確定性,，變化的VCO增益會影響環(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的設計

　　環(huán)形振蕩器是常見的振蕩器類型,，它由若干增益級電路及聯(lián)組成,。一般它的振蕩頻率很高，而且結構簡單易于實現(xiàn),?；窘M成單元可以是反相器或差分對。

　　2．1 反相器環(huán)形VCO設計

　　單級的反相器只能提供180°的相差,，為了滿足相位條件,，最簡單的環(huán)形振蕩器應當至少由3個反相器串聯(lián)組成。隨著振幅的不斷增大,，各級電路會經(jīng)歷非線性,，而達到飽和狀態(tài)，此時振幅和頻率都處于穩(wěn)定狀態(tài),。用大信號分析其振蕩周期,，假設每級反相器的延遲時間都是T，通過分析可以得出每個反相器在經(jīng)歷6T時間后又回到初始狀態(tài),，所以振蕩周期為6T,，同理可得Ⅳ級反相器的周期為2NT。由此推導出Ⅳ級反相器構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。在設計中3或5級反相就能達到比較好的效果,，當然如果設計需要可以有更多個反相器級聯(lián),。

　　每個單元的延時時間與流過反相器的電流、反相器的寬長比,、電壓,、工藝有關。VCO1用單反向器延遲單元串聯(lián)的形式組成了最簡單的多諧振蕩器,，其最高頻率為3．3 GHz,，結構如圖1所示。該振蕩器使用特殊的機理,，分為控制和延遲反饋兩部分，利用控制MOS管的短溝效應通過電流鏡決定整個電路的振蕩頻率。由于沒有外加元件,，而且結構簡單,，極小的寄生參數(shù)提高了工作頻率。

　　2．2 差分環(huán)形VCO設計

　　差分對型VCO主要由差分對延時構成,，差分延時單元由壓控電流源,、電阻負載以及NMOS管構成。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結構的差分延時單元電路,，如圖2所示，利用4級該延時單元組成的環(huán)形壓控振蕩器電路結構,，如圖3所示,。在圖2中，電路通過兩個PMOS負載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負載的柵電壓并限制鎖存器的鎖存強度,。通過該鎖存器的正反饋，延遲單元工作在全開關狀態(tài),，減小了在振蕩周期中開啟時間所占的比例,。外加電壓通過交叉連接的NMOS場效應管M7，M8控制PMOS負載場效應管M3,，M4的柵極電壓,，從而調節(jié)該單元的延時；場效應管M5,，M6的柵極接附加的級間正反饋,，可以減小信號的上升下降時間、提高振蕩器的振蕩頻率并降低相位噪聲,。采用4級這種延時單元構成的環(huán)形壓控振蕩器結構,，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,。

　　3 仿真結果和性能分析

　　文中給出兩種多諧VCO：一種是3級反相器環(huán)形振蕩器(VCO1)；另一種是4級差分環(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。本次設計采用了標準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,。

　　通過以上對兩種VCO的性能分析，得出這樣的結論：反相器環(huán)形VCO的優(yōu)點是電路設計簡單,，振蕩頻率可以被設計得很高,，但是它對電源或地的噪聲比較敏感，相位抖動較大,。差分對型VCO的優(yōu)點是差分信號可以抑制地噪聲或電源噪聲,，相位抖動較小。缺點是帶寬有限,，不適于高頻應用,。

　　4 結束語

　　文中給出兩種高速CMOS多諧壓控振蕩器，采用了標準0．18μm CMOS制造工藝實現(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,，容易實現(xiàn)高集成密度。