基于電流折疊技術(shù)的CMOS全差分VCO設計

射頻振蕩器是儀器儀表、自動(dòng)控制和通信系統等領(lǐng)域廣泛使用的基本模塊，是構成時(shí)鐘恢復、頻率合成等系統的核心電路。通常用無(wú)源元件LC，隧道二極管、雙基極二極管(單結晶體管)、雪崩雙極型晶體管來(lái)設計，但它們都與標準的CMOS工藝不兼容。雖然LC振蕩器有良好的穩定性和相位噪聲性能，振蕩頻率可達微波 L帶至C帶，但調諧范圍不大，而且不易于在當前主流CMOS工藝下進(jìn)行片上集成。因而采用電流折疊的正反饋技術(shù)設計了一個(gè)全差分CMOS環(huán)形壓控振蕩器 (VCO)。該振蕩器在調諧時(shí)具有常數振蕩幅度，并具有良好的線(xiàn)性調頻調幅性能。

1 振蕩器的工作原理及其全差分實(shí)現

1．1 振蕩器的工作原理

振蕩器是一種不需要外部信號激勵，能夠將自身的直流能源轉換為周期性輸出信號的電路。振蕩條件由式(1)Barkhausen準則決定。



可見(jiàn)系統能夠產(chǎn)生振蕩的基本條件是環(huán)路增益T(ω)>1，環(huán)路相移為360°。大部分應用要求振蕩器是可調諧的，理想壓控振蕩器的控制函數如式(2)所示。



式中：ωo是對應控制電壓Vcont=0時(shí)的振蕩頻率；Kvco為VCO的增益或者靈敏度。環(huán)形振蕩器的工作原理：使得環(huán)路傳輸函數僅在一個(gè)頻率點(diǎn)上滿(mǎn)足Barkhausen準則，從而對延遲單元的設計提出了較高的要求。

1．2 振蕩器的全差分實(shí)現

延遲單元的結構和數量應根據對振蕩器速度、功率、噪聲性能等要求進(jìn)行選擇。鑒于單端延遲單元的延遲時(shí)間容易受到電源電壓噪聲和襯底耦合噪聲的干擾，采用全差分結構，可以在較大程度上抑制這類(lèi)共模噪聲，如圖1所示。



圖1的第一個(gè)模塊是調頻調幅控制單元，主電路采用4級全差分延遲單元，所以前三級采用反相連接，最后一級采用同相連接，以滿(mǎn)足Barkhausen準則。而且避免了單端反相延遲單元不能采用偶數級數的缺點(diǎn)?？刂茊卧统鰞蓚€(gè)控制電壓控制延遲單元的尾電流MOS管柵源電壓，從而實(shí)現頻率和幅度調節。

2 電路設計

2．1 采用電流折疊的正反饋延遲單元

基于上述考慮，采用全差分單元來(lái)實(shí)現信號延遲，延遲時(shí)間決定于時(shí)間常數RC，若直接調節負載電阻進(jìn)行頻率調諧，伴隨的是振蕩信號幅度隨頻率的變化而變化。一種解決的方法是采用復制偏置技術(shù)，它同時(shí)調節負載電阻和尾電流的大小，使振蕩信號幅度近似不變。缺點(diǎn)是需要增加一個(gè)運算放大器，且其帶寬必須大于頻率變化的帶寬，這樣增加了芯片面積和設計難度。采用的是電流折疊正反饋延遲單元，它不需要使用運算放大器，如圖2(a)所示。



這里在差分對的基礎上并入交叉耦合對，容易證明，該耦合對的小信號等效阻抗為-2／gm的負阻。只要這個(gè)負阻絕對值大于負載電阻，則差分對的負載電阻仍是正阻抗，而該正阻抗可通過(guò)調節交叉耦合對的偏置電流來(lái)改變其阻值，從而改變延遲，但會(huì )導致負載電阻上的最大電流發(fā)生變化。因此在調諧方案的設計上采用差分電壓控制，同步向相反方向調節差分對尾電流，這樣兩個(gè)尾電流之和是一個(gè)常數，從而實(shí)現了頻率調諧時(shí)的常數振蕩幅度?？刂粕喜捎秒娏髡郫B結構．折疊到調頻調幅控制單元，由該單元實(shí)現尾電流的同步調節。

2．2 調頻調幅控制單元電路

調頻調幅控制單元的作用是提供頻率調諧功能，并保證調諧時(shí)的常數振蕩幅度。如圖2(b) 所示，固定基準電流時(shí)，通過(guò)PMOS鏡像的鏡像電流也保持恒定，從而使得外部差分壓控信號輸入后，控制單元的差分對管電流發(fā)生變化，但總電流保持恒定，并利用柵漏短接的NMOS將這一電流轉換為控制電壓，從而保持了延遲單元調諧時(shí)的常數振蕩幅度。鑒于振蕩器應用的廣泛性和差異需求，同時(shí)振蕩幅度的增加可以提高相位噪聲，因此這一控制單元設計上的優(yōu)點(diǎn)還在于可以通過(guò)調節幅度控制輸入端來(lái)調節振蕩信號的幅度。

3 系統仿真

對整個(gè)系統在TANNER環(huán)境下利用Tspice工具和0．5／μm CMOS工藝庫進(jìn)行仿真。圖3是2．5 V幅度控制電壓和1．O V差動(dòng)電壓下差分振蕩輸出信號。仿真結果表明，起振時(shí)間僅52 ns，輸出信號擺幅1．0 V，振蕩頻率66．25 MHz，功耗僅10 mW。



通常環(huán)振頻率調諧范圍在3倍以?xún)?，仿真表明振蕩器在差分控制電?1．6～+1．6 V范圍內和2．5 V幅度控制電壓下具有163 MHz約6倍(34～197 MHz)的寬調諧范圍，并具有1．0 V的常數振蕩幅度，幅度偏差小于50 mV，如圖4(a)所示。保持差分調頻控制電壓、調幅控制電壓和振蕩信號的幅度具有圖4(b)所示的壓控調幅曲線(xiàn)。表明在2．0～4．0 V調幅控制電壓下，具有較好的線(xiàn)性調幅特性，可在0．5～2．0 V之間線(xiàn)性調幅。



4 結 語(yǔ)

設計的基于電流折疊的全差分壓控調頻調幅振蕩器在O．5μm CMOS工藝下的Spice仿真結果表明，振蕩器具有較大的頻率調諧范圍和調幅范圍；壓控頻率調諧增益和壓控調幅增益的線(xiàn)性度都較好；電路功耗較低，僅 10 mW；不需要電感和電容元件，便于CMOS工藝下的片上集成，并極大地減小了芯片面積。