基于電流折疊技術(shù)的CMOS全差分VCO設(shè)計

 摘 要：針對目前通信系統(tǒng)應(yīng)用上對壓控振蕩器的片上集成、寬調(diào)諧、調(diào)幅、啟動特性和功耗等提出的綜合性要求，分析和設(shè)計了一種壓控調(diào)頻調(diào)幅振蕩器，其延遲單元采用全差分結(jié)構(gòu)，以消除共模噪聲和增加延遲控制的靈活性；并利用交叉耦合的差分負(fù)阻和電流折疊的正反饋技術(shù)進(jìn)行頻率調(diào)諧，使之在寬頻范圍內(nèi)具有常數(shù)振蕩幅度。采用O．5μm CMOS工藝進(jìn)行Spice仿真，結(jié)果表明振蕩器具有34～197 MHz的寬調(diào)諧范圍，并能保持常數(shù)振蕩幅度，功耗僅10 mW，啟動時間僅52 ns。系統(tǒng)還能在O．5～2．O V范圍內(nèi)進(jìn)行良好的線性調(diào)幅。
關(guān)鍵詞：電流折疊；負(fù)阻交叉耦合晶體管對；自動振幅控制；全差分壓控振蕩器

    射頻振蕩器是儀器儀表、自動控制和通信系統(tǒng)等領(lǐng)域廣泛使用的基本模塊，是構(gòu)成時鐘恢復(fù)、頻率合成等系統(tǒng)的核心電路。通常用無源元件LC，隧道二極管、雙基極二極管(單結(jié)晶體管)、雪崩雙極型晶體管來設(shè)計，但它們都與標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝不兼容。雖然LC振蕩器有良好的穩(wěn)定性和相位噪聲性能，振蕩頻率可達(dá)微波 L帶至C帶，但調(diào)諧范圍不大，而且不易于在當(dāng)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(shè)計了一個全差分CMOS環(huán)形壓控振蕩器 (VCO)。該振蕩器在調(diào)諧時具有常數(shù)振蕩幅度，并具有良好的線性調(diào)頻調(diào)幅性能。

l 振蕩器的工作原理及其全差分實(shí)現(xiàn)
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?qū)⒆陨淼闹绷髂茉崔D(zhuǎn)換為周期性輸出信號的電路。振蕩條件由式(1)Barkhausen準(zhǔn)則決定。

  
    可見系統(tǒng)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(yīng)用要求振蕩器是可調(diào)諧的，理想壓控振蕩器的控制函數(shù)如式(2)所示。

  
式中：ωo是對應(yīng)控制電壓Vcont=0時的振蕩頻率；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(shù)僅在一個頻率點(diǎn)上滿足Barkhausen準(zhǔn)則，從而對延遲單元的設(shè)計提出了較高的要求。
1．2 振蕩器的全差分實(shí)現(xiàn)
    延遲單元的結(jié)構(gòu)和數(shù)量應(yīng)根據(jù)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(jié)構(gòu)，可以在較大程度上抑制這類共模噪聲，如圖1所示。

    圖1的第一個模塊是調(diào)頻調(diào)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，以滿足Barkhausen準(zhǔn)則。而且避免了單端反相延遲單元不能采用偶數(shù)級數(shù)的缺點(diǎn)?？刂茊卧统鰞蓚€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(xiàn)頻率和幅度調(diào)節(jié)。

2 電路設(shè)計
2．1 采用電流折疊的正反饋延遲單元
    基于上述考慮，采用全差分單元來實(shí)現(xiàn)信號延遲，延遲時間決定于時間常數(shù)RC，若直接調(diào)節(jié)負(fù)載電阻進(jìn)行頻率調(diào)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(fù)制偏置技術(shù)，它同時調(diào)節(jié)負(fù)載電阻和尾電流的大小，使振蕩信號幅度近似不變。缺點(diǎn)是需要增加一個運(yùn)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(shè)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(yùn)算放大器，如圖2(a)所示。

    這里在差分對的基礎(chǔ)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(fù)阻。只要這個負(fù)阻絕對值大于負(fù)載電阻，則差分對的負(fù)載電阻仍是正阻抗，而該正阻抗可通過調(diào)節(jié)交叉耦合對的偏置電流來改變其阻值，從而改變延遲，但會導(dǎo)致負(fù)載電阻上的最大電流發(fā)生變化。因此在調(diào)諧方案的設(shè)計上采用差分電壓控制，同步向相反方向調(diào)節(jié)差分對尾電流，這樣兩個尾電流之和是一個常數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了頻率調(diào)諧時的常數(shù)振蕩幅度?？刂粕喜捎秒娏髡郫B結(jié)構(gòu)．折疊到調(diào)頻調(diào)幅控制單元，由該單元實(shí)現(xiàn)尾電流的同步調(diào)節(jié)。
2．2 調(diào)頻調(diào)幅控制單元電路
    調(diào)頻調(diào)幅控制單元的作用是提供頻率調(diào)諧功能，并保證調(diào)諧時的常數(shù)振蕩幅度。如圖2(b) 所示，固定基準(zhǔn)電流時，通過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(zhuǎn)換為控制電壓，從而保持了延遲單元調(diào)諧時的常數(shù)振蕩幅度。鑒于振蕩器應(yīng)用的廣泛性和差異需求，同時振蕩幅度的增加可以提高相位噪聲，因此這一控制單元設(shè)計上的優(yōu)點(diǎn)還在于可以通過調(diào)節(jié)幅度控制輸入端來調(diào)節(jié)振蕩信號的幅度。

3 系統(tǒng)仿真
    對整個系統(tǒng)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差動電壓下差分振蕩輸出信號。仿真結(jié)果表明，起振時間僅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(diào)諧范圍在3倍以內(nèi)，仿真表明振蕩器在差分控制電壓-1．6～+1．6 V范圍內(nèi)和2．5 V幅度控制電壓下具有163 MHz約6倍(34～197 MHz)的寬調(diào)諧范圍，并具有1．O V的常數(shù)振蕩幅度，幅度偏差小于50 mV，如圖4(a)所示。保持差分調(diào)頻控制電壓、調(diào)幅控制電壓和振蕩信號的幅度具有圖4(b)所示的壓控調(diào)幅曲線。表明在2．0～4．O V調(diào)幅控制電壓下，具有較好的線性調(diào)幅特性，可在0．5～2．O V之間線性調(diào)幅。

4 結(jié) 語
    設(shè)計的基于電流折疊的全差分壓控調(diào)頻調(diào)幅振蕩器在O．5μm CMOS工藝下的Spice仿真結(jié)果表明，振蕩器具有較大的頻率調(diào)諧范圍和調(diào)幅范圍；壓控頻率調(diào)諧增益和壓控調(diào)幅增益的線性度都較好；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。