1 引言

近年来,由锁相环构成的时钟稳定电路、频率合成器以及时钟数据恢复电路得到了广泛应用.压控振荡器(Voltage-Controlled Oscillator , VCO)作为锁相环中的核心部分 ,对它的研究近些年得到了特别的关注 .功耗的降低一直是集成电路设计的一个努力方向,因此,低电压低功耗的压控振荡器的设计成为研究热点.

常见的 VCO 有 LC 压控振荡器、环形振荡器和晶体压控振荡器(VCXO).#p#分页标题#e#LC 压控振荡器可获得很好的相位噪声特性^[ 1] , 良好的稳定性 , 并且振荡频率(达几吉赫兹), 然而由于可调电容部分占电路总电容的比例很小 , 造成此种振荡器的频率调节范围不大.目前主流的 CMOS 工艺在片上集成高 Q 值的电感也比较困难 , 而且往往不能提供精确的电感模型 .环形振荡器线性度好,功耗小 ,成本低, 易于集成,调节范围宽 ,结构简单易于实现, 基本组成单元可以是反相器或差分对 .由于环形振荡器不使用电感,所以和 CM OS 工艺兼容性非常好.但是环形振荡器稳定性不如 LC 压控振荡器, 而且随电压的波动,输出变化太快 ,不容易控制.晶体压控振荡器(VCXO)工作频率很准、稳定 ,仅与所选定晶体器件有关.但成本较高(相对民用消费类产品),一般用于

特殊要求或与时钟、仪表、及通讯类产品合用#p#分页标题#e# .

基于环形振荡器结构简单易于集成而且功耗低的优点 ,文中提出了一个全差分环形压控振荡器的设计方案, 通过调节交叉耦合晶体管对的电阻值来对压控振荡器进行频率调节 , 该电路工作于 1 .8V 的低电源电压下 ,具有良好的线性度、较宽的线性范围以及较高的工作频率.

2 压控振荡器定义及性能参数

大多数应用要求振荡器频率为可调的, 即其输出频率是一个控制输入的函数 , 这个控制输入通常是电压 ,这样的振荡器就是压控振荡器(VCO).图 1

为一个理想 VCO 的振荡频率与输入控制电压关系的特性曲线^[ 2] .

图 2   延迟单元结构#p#分页标题#e#

这里使用差动对来控制 M 1 、M2 和M 5 、M6 之间切换的电流并把电流折叠应用于电流切换控制.差动对M 7 、M8 驱动两个电流镜,产生 Iss1 和 Iss2 , 因为

I 1 +I 2 =I ss , Iss1 =k ·I1 , #p#分页标题#e#且 I ss2 =k ·I 2 ,所以 I ss1 +Iss2 =k ·I ss .当 V ctrl+-V ctrl-由非常正的值变到

非常负的值时, Iss1 由 k ·I ss 变到零而 I ss2 由零变到

k · Iss ,#p#分页标题#e#而它们的和保持恒定, 仍为 k ·I ss ,这即是差动对特性.比起将控制电压 Vct rl+和 V ctrl-分别直接加在 M11 和 M 12 的栅端,并在 M11 ,M12 的下面层叠一电流源来实现差动控制的方法相比 , 本设计应用电流折叠的原理进行差动控制, 不会消耗额外电压余度,使得电路可工作于低电源电压下模块即为一个延迟单元,Clk1 ±～ Clk4 ±为输出的差分时钟信号,它们相位不同,振荡频率相同..

#p#分页标题#e#4 整体电路仿真结果

在 Cadence 环境下 ,利用H spice 仿真工具 ,基于 SMIC 0 .18μm CMOS 工艺对设计的全差分环形压控振荡器进行了仿真.仿真结果:VCO 单边输出摆幅为500mV ,中心频率为 635MHz .振荡器输出波形

见图 4 ,该 VCO 的主要性能参数见表 1 .仿真测试得到, 输出电压摆幅在电压调节范围内的变化不大(参见表 2), 也进一步验证了该 VCO 压频增益的线性度较好 .
 
表 2  控制电压与输出电压摆幅对应关系
 

 
5 结束语
 
压控振荡器(VCO)是锁相环的核心部件, 文中设计了一种可于低电压下应用的四级全差分环形压
 
控振荡器, 基于 SMIC 0 .18μm CM OS 工艺仿真得到VCO 输出摆幅为 500mV , 中心频率为 635M Hz ,
 
输出频率范围较宽, 在整个电压调节范围内, 输出摆幅变化不超过 20 mV ,压频增益的线性度非常好, 此电路功耗较低 ,仅为 6mW ,振荡在中心频率时的均方根抖动为 3 .91ps .该 VCO 可应用于锁相环构成的时钟稳定电路 ,锁相环型频率合成器以及时钟数据恢复电路中.