電荷泵鎖相環(huán)的壓控振蕩器設計

1、合肥工業(yè)大學碩士學位論文電荷泵鎖相環(huán)的壓控振蕩器設計姓名：羅芳杰申請學位級別：碩士專業(yè)：電工理論與新技術指導教師：高明倫;尹勇生20090301電荷泵鎖相環(huán)的壓控振蕩器設計摘要隨著片上系統(tǒng)（，）技術的發(fā)展，提供系統(tǒng)時鐘的鎖相環(huán)（，）已經成為的重要組成部分，的性能對整個系統(tǒng)的性能有重要影響。壓控振蕩器（，）由于具有頻率可控的優(yōu)點而成為內部振蕩器的主流設計形式。本文采用工藝設計一種具有較大頻率調節(jié)范圍和低噪聲的差分環(huán)形壓控振蕩器作為內部的頻率源，該可應用于高速、轉換器等電路的設計。在介紹振蕩器基本原理的基礎上，首先分析環(huán)形振蕩器的結構，并結合具體性能指標的要求選定負載控制型六級環(huán)形壓控振蕩器的結構

2、進行設計。隨后給出了完整的設計過程，包括電路設計和版圖設計。作為一個重要的設計環(huán)節(jié)，在設計的最初階段針對做了基于的行為建模與仿真，由此得出的一些結論直接指導后續(xù)設計，同時也有效節(jié)省了設計和仿真時間。電路設計主要包括偏置電路、環(huán)形振蕩器單元電路以及整形電路等內容。特別地，為了減少的鎖定時間，在偏置電路中引入限頻電路；為了給提供全擺幅的是信號，在的輸出電路后設計了整形電路。版圖設計是模擬混合信號電路設計的重要環(huán)節(jié)，為了減少版圖設計過程中可能引入的噪聲和干擾，本文還給出了基于匹配、對稱、屏蔽干擾等方面的版圖設計。利用和以及混合信號仿真工具，對相關電路進行了布局布線前、后仿真。仿真結果表明，的調節(jié)范圍

3、是一，在工作頻率處的相位噪聲是一?；诒舅O計的已經應用在高速轉換器中，順利通過了多項目晶圓（，）流片與初步測試，達到了預期目標。關鍵詞：壓控振蕩器整形電路相位噪聲（），（），（），。，、，一，：；插圖索引圖各種生命周期圖負反饋系統(tǒng)圖反饋振蕩的其他幾種形式圖平衡狀態(tài)的兩種變化趨勢圖負阻振蕩模型圖的數(shù)學模型定義圖管變阻環(huán)形圖管變阻型延遲單元圖傳統(tǒng)電流饑餓型延遲單元圖互補型開關變阻環(huán)形圖可變負載環(huán)形圖負載電阻控制型延遲單元圖尾電流控制型延遲單元圖交叉耦合延遲單元圖線性電阻控制型環(huán)形圖延遲單元圖延遲單元等效電流圖圖雙環(huán)路圖快慢通道插值型圖帶充電加強子反饋的延遲單元圖充電加強延遲單元圖帶放電加強子反饋

4、的延遲單元圖多環(huán)路圖延遲單元輸入輸出信號變化情況圖單環(huán)延遲單元圖雙環(huán)的延遲單元：圖三環(huán)的延遲單元圖電荷泵鎖相環(huán)的整體框圖圖的性能指標圖差分結構電源與襯底噪聲示意圖圖晶體管噪聲模型圖振蕩器功率譜圖相位噪聲功率譜密度圖周期一周期抖動圖圖差分延遲單元圖差分結構環(huán)形振蕩器一圖含有晶體管熱噪聲差分延遲級電路圖差分延遲級的噪聲等效電路圖基于的系統(tǒng)仿真流程圖輸出頻率隨控制電壓的變化圖本設計的壓控振蕩器基本結構圖壓控振蕩器的單元放大器圖偏置電路和限頻電路圖擺幅隨控制電壓的變化圖二極管連接偏置電路圖限頻電路仿真波形圖壓控振蕩器電路圖圖單元放大器線性區(qū)范圍圖單元放大器增益隨控制電壓變化圖單元放大器帶寬隨控制電壓的

5、變化圖壓控振蕩器輸出頻率隨控制電壓的變化曲線圖壓控振蕩器的最小和最大振蕩頻率圖壓控振蕩器的起振電路圖起振電路仿真圖圖整形電路圖圖器件噪聲模型圖壓控振蕩器延遲單元小信號等效電路圖壓控振蕩器噪聲仿真圖電阻的版圖圖電容的版圖圖的整體版圖布局圖的整體版圖：圖的六級振蕩電路版圖圖輸入數(shù)據(jù)為時鎖定情況圖輸入數(shù)據(jù)為時鎖定情況獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標志和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得一金膽王些太堂明并表示謝意?；蚱渌逃龣C構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所

6、做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說學位論文作者簽字：鼉渤辦，簽字日期：厶年鄉(xiāng)月鄉(xiāng)日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解金目巴王業(yè)太堂有關保留、使用學位論文的規(guī)定，有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤，允許論文被查閱或借閱。本人授權僉膽王些太堂可以將學位論文的全部或部分論文內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編學位論文。（保密的學位論文在解密后適用本授權書）學位論文作者簽名：羅埸冬毛簽字日期：切礦年多月日學位論文作者畢業(yè)后去向：工作單位：通訊地址：導師簽名：簽字日期：口妒年多月），日電話：。一，郵編：口甲致謝首先我要感謝我的導師高明倫教

7、授在我兩年半研究生學習階段中給予我悉心的指導和諄諄教誨。高老師學識淵博，治學嚴謹，對待科研一絲不茍。他對學生的諄諄教誨都深深地記在我的心中，高老師是我今后人生道路上學習的楷模。感謝我的指導教師尹勇生老師，在我論文寫作過程中給予我耐心的指導和細心的幫助，在此表示衷心的感謝。感謝合肥工業(yè)大學微電子設計研究所的各位老師和同學，感謝他們給我學習上的幫助和生活上的關心。特別要感謝梁上泉師姐在我的研究生階段對我學習和生活上的巨大幫助。感謝舍友汪俊峰和何勇，感謝他們兩年半來給我的兄弟般的友情。感謝鄧老師在研究生學習期間給我的幫助，感謝模擬組張睿、矯妹、謝亞偉在專業(yè)學習上的幫助。我還要感謝師弟師妹們，感謝他們

8、在我論文寫作階段給我的幫助。感謝我的家人對我學習和生活的默默支持和關心。最后感謝所有幫助過我的老師、同學和朋友們。作者：羅芳杰年月第一章引言研究背景及意義振蕩器是電子系統(tǒng)的重要組成部分，自其誕生至今就一直在通信、機械、電子、航海航空以及醫(yī)學等領域扮演著重要的角色。例如，在無線電測量儀器中用以產生各種頻段的正弦信號電壓，在熱加工、熱處理、超聲波加工和某些醫(yī)療設備中用以產生大功率的高頻電能從而對負載加熱等【】【。在人們的日常生活中，振蕩器也是無處不在，電視、手表、微波爐等都離不開振蕩器。而壓控振蕩器（，）作為一種振蕩頻率可隨外加控制電壓變化而變化的可調信號源，被廣泛的應用于現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，特別是在

9、鎖相環(huán)、時鐘恢復和頻率綜合等電路中，是影響整個系統(tǒng)性能的關鍵部件。的應用范圍廣泛，不同的應用領域對的性能要求不同，因此設計一個萬能的振蕩器是不可能的，即使是在電子領域，不同的地方對振蕩器性能的要求也是千差萬別，在不同時期、不同地點，人們一直在設計一些能滿足各種需要的振蕩器。從上世紀初，發(fā)明了電子管振蕩器，后經改進電路設計并成功開發(fā)出了電子管振蕩器，至今，己經有了近百年的歷史。期間，振蕩器經歷了電子管、晶體管、組件、單片集成等不同的階段【】【。職口一陽譬叼髓口姍暑硼，砌陽歷史年份圖各種生命周期圖簡要的說明了技術在過去多年里的發(fā)展歷程。上世紀年代末期，出現(xiàn)了一種尺寸更小、成本更低的技術，這就是單片

10、集成技術。經過研究和開發(fā)，年硅集成電路技術在高頻化和無源元件集成方面獲得重大進展，開發(fā)成功工作頻率很高的晶體管、變容二極管和單片集成的高值的電感器與高頻電容器。這為高頻硅單片集成的研究與發(fā)展奠定了技術基礎。近些年來，市場的需求也促使人們投入更多的精力研究以上的振蕩器，例如個人移動通訊、寬帶、藍牙等等【】。隨著人們對工藝的研究不斷深入，大量技術性問題被突破，特別是工藝特征尺寸的減小，極大地提高了器件的工作速度，工藝己經被越來越多的應用于振蕩器的研究中【。一直以來，對采用工藝的研究主要還是集中在和環(huán)形兩種類型?？偟膩碚f，這兩種振蕩器各有優(yōu)缺點：（）振蕩器的噪聲性能要優(yōu)于環(huán)形振蕩器，但在標準工藝中，

11、由于采用了防止閂鎖效應的高摻雜襯底，當頻率較高時電感的值會變小，而環(huán)形振蕩器有著易于與數(shù)字電路集成的優(yōu)點，在系統(tǒng)芯片（，中有著較好的應用前景【；（）電感占用的芯片面積也比較大，環(huán)形振蕩器相對面積要小很多；（）環(huán)形振蕩器可以獲得大的調節(jié)范圍，并且可以通過調節(jié)振蕩器的級數(shù)方便地獲得不同相位的一系列時鐘信號。隨著社會的進步和人民生活水平的提高，電子產品遍布我們生活的每個細節(jié)。壓控振蕩器越來越多得被用在各種電子系統(tǒng)中，大大地方便了人們的生產、生活和消費，雖然最近幾年國內集成電路的發(fā)展比較快，然而我國集成電路的發(fā)展與國外仍有著較大的差距。由于傳統(tǒng)的雙極工藝，產品在體積上、重量上、成本上都較大，因此，設計

12、具有自主知識產權，性能較優(yōu)的壓控）振蕩器具有很重要的意義。壓控振蕩器的設計難點輸出的是隨控制電壓變化的交流信號，隨著技術的發(fā)展，越來越多集成到系統(tǒng)內部，是應用最多的系統(tǒng)。對于來說，鎖定時間和相位噪聲這兩個重要的參數(shù)都受到的直接影響。鎖相環(huán)會因為的頻率調節(jié)范圍很窄而不能夠在預定的頻率范圍內鎖定相位，這樣就會增加的鎖定時間；同時，如果提供給電子系統(tǒng)的時鐘信號不是高質量的頻率源，那么這個電子系統(tǒng)的性能乃至功能就得不到有效的保證。因此，頻率調節(jié)范圍和相位噪聲是的主要性能指標，如何有效增加的頻率調節(jié)范圍以及如何減少相位噪聲是設計的主要設計難點。本文所作的工作本課題設計的主要為提供一個穩(wěn)定、干凈的頻率源，

13、因此要根據(jù)的相關指標來展開設計。根據(jù)課題要求，基于工藝，本文的設計結果應該得到較寬頻率調節(jié)范圍、低相位噪聲的。論文主要完成以下相關工作：（）介紹振蕩器的基本理論，分析壓控振蕩器工作原理；（）分析環(huán)形的工作原理，根據(jù)各自的優(yōu)缺點，選取本課題適用的電路結構；（）分析并設計本課題的環(huán)形壓控振蕩器電路，主要從頻率調節(jié)范圍，相位噪聲，對的影響，電路設計四個角度重點論述；（）從版圖設計的角度設計環(huán)形。本文的組織結構本文的組織結構大致如下：第一章，介紹集成電路、壓控振蕩器的發(fā)展概況，列出了的設計重點和難點，并介紹本人所做的工作。第二章，介紹振蕩器的基本原理，分析環(huán)形壓控振蕩器的幾種架構，根據(jù)設計要求選擇適合

14、本文的架構。第三章，重點介紹噪聲的定義、分類，以及管的噪聲模型，進一步分析相位噪聲理論，并從電路模型的角度分析其噪聲效應。第四章，對環(huán)形進行設計。首先給出的數(shù)學模型，給出的的行為級建模和仿真，接著給出本文的環(huán)形的電路設計，設計并分析各個部分電路的工作原理，在各個模塊電路后面還給出了相關的仿真結果，根據(jù)第三章的噪聲理論給出了本課題的噪聲仿真結果。第五章，首先說明了本設計所遵循的混合信號版圖設計規(guī)則，基本單元的版圖設計，然后重點介紹本課題環(huán)形的版圖設計，以及一些版圖設計技巧和方法。最后給出了基于的相關后仿真結果。最后對整個論文進行總結，給出下一步電路的改進意見。第二章環(huán)形振蕩器的架構分析及選擇振蕩

15、器簡述振蕩器基本特征是在外加直流電源后可以向負載提供一定頻率和一定功率的交流信號。這個特征中有兩個要點：（一）振蕩器的外部只有直流電壓，即的頻率輸入，而輸出是一定頻率和一定功率的信號。這就說明振蕩器電路中信號存在一個從無到小，然后再從小到大的過程。（二）振蕩器的最終狀態(tài)是輸出固定頻率和功率的狀態(tài)，也就是說振蕩器中產生大信號后向穩(wěn)定的狀態(tài)過渡，并最終保持這種狀態(tài)。上述兩點在振蕩器原理中對應著起振條件、平衡條件和穩(wěn)定條件。這三個條件是振蕩器分析的目標和振蕩器設計的依據(jù)。分析和設計振蕩器通常有兩種常用的理論：反饋理論【】和負阻振蕩【】理論。前者從系統(tǒng)的信號傳遞函數(shù)著眼，后者則直接關注由阻抗定義的功率

16、輸出能力。頻率較低時多采用反饋振蕩的原理，頻率較高時，特別是作為微波毫米波頻段時，作為負阻振蕩分析較好【】。下面就來具體介紹這兩種理論。反饋理論巴克豪森準則眾所周知，一個反饋系統(tǒng)可以產生振蕩，下面介紹一下反饋系統(tǒng)的構成和起振的基本條件。±廠、一（）圖負反饋系統(tǒng)圖的三角表示一個基本放大器，它的傳輸函數(shù)為緲），環(huán)路的閉環(huán)增益為：一：竺！竺（）如果負反饋的輸出相位偏移太大，經過反饋信號相減，使原來的信號得到增強，那么振蕩就會產生?？梢钥闯鋈眨ň槪┮粫r，環(huán)路的閉環(huán)增益為無窮大。這時相位差為。接下來考慮環(huán)路的增益，如果輸入電壓為圪，那么：圪叫圪日（國）日（國）（）由相關的數(shù)學知識知道當（彩）時

17、，式的結果是發(fā)散的，（）時，上式可以表示為：商礦當環(huán)路內的信號不斷增強的情況下，振蕩才有可能產生，所以可得到有關振蕩器起振的兩個基本條件：（）環(huán)路的閉環(huán)增益必須不小于；（）負反饋的相移為度。這兩點就是我們所熟知的“巴克豪森準則”。圖反饋振蕩的其他幾種形式準則的第二個要點是負反饋的相移為度，這一點不可狹義的理解，無論是正反饋還是負反饋只要是反饋的信號使原來的信號得到加強，而且環(huán)路的增益大于，這樣的結構都是滿足起振振蕩條件的，所以如圖的幾種結構也是可行的。第二點可以引申為：（彩），（緲）表示正反饋信號與輸入信號的相差。平衡條件振蕩器起振階段信號很弱，滿足起振條件以后，信號會不斷增強，這種增強并不會

18、無限制的進行下去，而是逐漸進入到輸出的頻率和功率都保持恒定的狀態(tài)。這種狀態(tài)可以用下式表示：（）（）矽（）（緲）痧（緲）行，身固有的非線性來實現(xiàn)的。穩(wěn)定條件這就是振蕩器的平衡條件，可以將上式化為幅度條件和相位條件如下所示：振蕩器從起始振蕩階段向平衡階段的過渡，一般依靠振蕩器中有源器件本振蕩器除了要滿足起振條件和平衡條件外，還需要滿足穩(wěn)定性條件。當振蕩器由起振狀態(tài)逐漸過渡到平衡狀態(tài)后，如果受到細微的干擾（如：噪聲、溫度、電壓的改變），則這種平衡狀態(tài)將被打破。在平衡狀態(tài)被破壞后，振蕩器的工作狀態(tài)將會有兩種變化趨勢，可以用圖來表示。左邊這種狀態(tài)，當電路中存在一個小擾動時（如電流和電壓的變化），電路會偏

19、離原來的狀態(tài)，而且離平衡的狀態(tài)越來越遠，極小的擾動都會造成電路新的狀態(tài)離平衡點越來越遠，很顯然這種狀態(tài)是不穩(wěn)定的。右邊的這種狀態(tài)則很穩(wěn)定，即便電路有些擾動，電路的狀態(tài)也只會在平衡點附近作來回抖動，不會偏離平衡點。稼話斑錠荔氆輯耄扶秘圖平衡狀態(tài)的兩種變化趨勢放大器的傳輸函數(shù)不僅是頻率的函數(shù)還是電壓的函數(shù)。（，緲表示它的傳輸特性，當電壓在平衡點附近變大時，日（，國）變小，產生回到平衡點的趨勢；同樣當電壓在平衡點處變小時，日（，）變大，也產生回平衡點的趨勢。由數(shù)學上函數(shù)的原理可知，只要滿足式無論電壓變大或是變小，電路都有回到平衡點的趨勢。！絲【！：劃。為平衡點的電壓值，再綜合以上的結論得到振蕩器的穩(wěn)

20、定條件：型?。旱剑üΓ?，只要滿足上面兩個式子，振蕩器就可以穩(wěn)定工作。負阻理論在負阻理論中不再將振蕩器看成由放大器和反饋網(wǎng)絡組成的兩端口網(wǎng)絡，而是將振蕩器看成一個單端口網(wǎng)絡進行分析，并針對端口呈現(xiàn)的負值阻抗進行設計。圖為負阻振蕩模型。一七圖負阻振蕩模型起振條件假設電路的等效電感和電容分別為：和，則可以列出整個電路的電流方程：三丟（吃一）石求方程的解，當滿足一絲屁而（矽）其中，：！魚二魚。?。?，方程的特征解為：（吃一）在振蕩器起振時，要求信號的幅度越來越大，也就是隨著的增加而變大，這就需要：吃一民的阻值。這就是負阻理論的起振條件。平衡條件由式可以看出振蕩器的阻值必須為負值，而且它的絕對值應大于

21、負載當振蕩器電路滿足式后，信號的振幅會逐漸變大。隨著信號幅度的增大，電路中的各種非線性因素起到的作用也越來越大，譬如振蕩器的負阻會隨著振幅的加大而逐漸減小，這些因素會使信號的幅度不會無限制的增大下去，而是進入一個穩(wěn)定狀態(tài)。下面就來討論振蕩達到穩(wěn)態(tài)時的條件。如圖所示，由振蕩器和負載組成的回路，在穩(wěn)態(tài)時電路中已有大信號存在。假設穩(wěn)定狀態(tài)的回路電流為咖“引，忽略回路電流中的諧波分量，并對其取實部，可得負載兩端的電壓為：圪（）（）一（）振蕩器兩端的電壓為：圪（），民（）一（矽）可得：由于沒有外加交流分量，器件兩端的電壓應該和振蕩器兩端的電壓相等，（）圪（）由三角函數(shù)的正交性可得：（）一吃（國）（）。（

22、，）這就是振蕩器的平衡條件。穩(wěn)定條件只滿足起振條件和平衡條件是不夠的，還必需滿足穩(wěn)定條件的需要，下面在滿足上述兩個條件的情況下來分析穩(wěn)定條件。當環(huán)路達到平衡狀態(tài)時，環(huán)路內的電流已是大信號，它的幅度和相位隨時間變化，對時間求導：罷黜華小警一楞）沙：甜堂一，三墮緲一，一?？砂咽街械膹徒穷l率設為，如下：由于，彩和工是時間的緩變函數(shù)所以，云國“緲，緲求導可得：然后對乙（）對（小孫）掣（扣石（小（?。ㄐ。▏]面上式為負載阻抗隨時間的變化率，而振蕩器阻抗。（）近似不變。這時回路仍滿足式，即：（三）乞（國）（咖五（）（緲）警一。（緲）了瓦”一民（咖馳。和）警卅國）扣設：。為平衡點的電流值，萬，表示一個隨電

23、壓改變的幅度值。把式帶入式和可以得到：哦（厶）等。（彩）警（仞一心（厶）等圳緲）警“。（國萬百其中，分別為：一堡盟：上（）民（¨（厶）甜它們被稱為器件負阻的飽和系數(shù)與器件電抗的飽和系數(shù)。式和式消去掣，可得：（國）一剮）民（厶）?。ǎ┌佟τ诜€(wěn)定工作點要求萬和塵翌符號相反可得：講（國）一（）（厶）這就是負阻振蕩理論的穩(wěn)定條件。由實際的設計經驗可知振蕩器的阻抗決定了輸出信號的主要特征，阻抗的實部確定了輸出的功率，虛部則決定了輸出的頻率。而且大量的研究證明現(xiàn)在常用的振蕩器結構都是可以過渡到穩(wěn)定狀態(tài)，所以設計振蕩器可以針對起振和平衡條件來設計，然后再細微調節(jié)一下器件參數(shù)，就可以得到所需的設計

24、【】【】【。壓控振蕩器壓控振蕩器是指輸出信號的頻率由外加信號電壓控制。的頻率與控制電壓成線性關系。由于其頻率可控，而成為內部頻率源的主流。壓控振蕩器數(shù)學模型對于理想的壓控振蕩器，頻率和電壓的關系可以表示為線性的，如圖所示。，。圖的數(shù)學模型定義這里（表示對應于，時的截距，而表示電路的“增益”或“靈敏度，單位是，或者是（），頻率可以達到的范圍哆一被稱為“調節(jié)范圍。如果壓控振蕩器的輸出波形可以表示為：圪塒（），那么波形的頻率和相位的關系可以表示為：痧唬初始相位為蓀，如果假設其為零，那么振蕩器的相位：矽塒（。，）衍圪州一項被稱為“剩余相位”或吮。：如果被放在鎖相環(huán)中，那么上式中的總相位只有第二項是重要

25、的，這九，衍為：在鎖相環(huán)電路中，壓控振蕩器是一個理想的積分器，其傳遞函數(shù)可以表示監(jiān)：墜壓控振蕩器的性能指標（）中心頻率中心頻率也就是圖中調節(jié)范圍的中心值，是由使用環(huán)境決定的，例如在一個微處理器的時鐘產生電路中，要求工作在時鐘頻率或者兩倍時鐘頻率下，如今的壓控振蕩器可以達到的中心頻率。（）調諧范圍（）調諧范圍是指輸出頻率的可調節(jié)范圍調諧范圍是基于兩個方面考慮的。第一，的中心頻率隨工藝和溫度而變化。在極端的工藝和溫度變化下，一些振蕩器的中心頻率可能變化到兩倍，因此要求有足夠寬的調諧范圍以保證能達到所需的輸出范圍。第二，應用要求的頻率范圍。假定所需的調諧范圍是一一曲，控制線上能達到的電壓上下限分別為

26、。和。則對壓控振蕩器增益的要求必須滿足不等式。矗具體的實現(xiàn)將在后面章節(jié)討論。（）調節(jié)線性度（）單個的調諧范圍總是受一定限制的，在實際使用中要根據(jù)實際情況來選擇合理的方案來滿足設計要求。本課題的設計要求具有較寬的調諧范圍，因為。的大小會影響環(huán)路的帶寬和相位裕度從而影響的穩(wěn)定性，因此實際應用中總是希望具有很好的調節(jié)線性度。也就是說頻率對控制電壓的變化有較高的線性度，才能保證在調節(jié)過程中的穩(wěn)定性。（）壓控振蕩器增益（）也即靈敏度（），指單位控制電壓引起的輸出振蕩頻率的變化，一般以，。表示，單位為。從應用角度上講，一般希望有大的增益，以獲得更大范圍的調諧能力，而且此時的環(huán)路帶寬也大，能夠達到快速鎖定。

27、但是，靈敏度越高，則對控制線上的噪聲的響應也越強烈，最終導致輸出伴隨著更大的干擾，降低了的噪聲性能。因此要根據(jù)實際情況在增益和噪聲性能之間折中。（）相位噪聲（）實際的信號源由于各種噪聲和干擾的存在，要受到噪聲和干擾的調幅和調相。載波主譜左右兩側將有邊帶噪聲，對于頻率合成器而言，寄生調幅效應是容易消除的，比如用硬件的限幅器來消除等等。因此一般可以不考慮寄生調幅，而寄生調相則是影響頻譜純度的決定性因素。相位噪聲定義：短期穩(wěn)定度的頻域表示，它可以看成是各種類型的隨機噪聲信號對相位的調制作用。從頻域表現(xiàn)來看，頻譜不再是一根離散的譜線，而是帶有一定的寬度。通常用距離中心頻率某頻率（）處單位帶寬內噪聲功率

28、密度與中心頻率的功率的比值表示，單位為。習慣中使用的是載頻旁單邊帶的單位帶寬內噪聲功率密度，稱為單邊帶相位噪聲，其計算公式如式：嬰厶圭笪其中為單位帶寬內噪聲功率，單邊帶相位噪聲的單位為因此，可以說相位噪聲是頻率合成器及其內部的壓控振蕩器的最關鍵的性能參數(shù)。出于整個系統(tǒng)的信噪比的考慮，系統(tǒng)設計均需要低噪聲本地振蕩（）或頻率合成模塊。在鎖相環(huán)頻率合成器的各個模塊之間都會引入相位噪聲，因此人們想出各種辦法來減少每個模塊引起的相位噪聲。比如說通過減小環(huán)路帶寬來降低鎖定狀態(tài)下的綜合相位噪聲，但卻增加了的鎖定時間。在諸多因素中，首要的是如何使達到更好的相位噪聲性能，在保證相位噪聲滿足設計要求的前提下來對其

29、他性能做出優(yōu)化。對的噪聲討論將在本文的第三章單獨討論。（）輸出振幅能達到最大的輸出振幅是理想的，這樣使輸出的波形對噪聲不敏感，振幅的增加可以通過犧牲功耗，電源電壓甚至調節(jié)范圍來實現(xiàn)，反之亦然，同時，輸出振幅可能在整個調節(jié)范圍內變化，這是不希望的結果。（）功耗與其他模擬電路一樣，振蕩器受速度、功耗和噪聲之間折衷的限制，振蕩器的典型功耗在到之間。（）信號純度即使有恒定的控制電壓，的輸出波形也不具備完美的周期性，振蕩器中器件的噪聲和電源的噪聲使輸出相位和頻率含有噪聲，這些影響被量化成信號抖動和相位噪聲，具體由應用的細節(jié)決定。（）電源與共模抑制振蕩器對噪聲很敏感，特別是單端形式振蕩器，即使是差動振蕩器

30、也對電源敏感，設計出對噪聲不敏感的振蕩器是個難題，特別是電源噪聲。環(huán)形壓控振蕩器的架構分析壓控振蕩器主要有振蕩器和環(huán)形振蕩器兩種。由于振蕩器使用了電感和電容，工藝難度較高不利于單片集成，因此一般的集成振蕩器都不采用振蕩器的形式，而采用環(huán)形振蕩器的形式。環(huán)形振蕩器結構簡單，且不需要任何無源器件，易于片上集成。由于可控性好，環(huán)形振蕩器能達到很寬的調諧范圍，且能夠實現(xiàn)多相位輸出。因此在現(xiàn)在流行的集成中大多采用環(huán)形壓控振蕩器。本節(jié)將重點介紹環(huán)形壓控振蕩器的幾種主要結構，并對他們的性能和適用范圍做出比較，選出適合本文的架構。單端延遲單元單端振蕩器是最初的環(huán)形振蕩器設計形式，其優(yōu)點和缺點也比較明顯。一方面

31、，延遲單元結構簡單，所占芯片的面積小，可調范圍也較高，固有器件的噪聲較低，可以實現(xiàn)全電壓擺幅，易于和其他數(shù)字電路集成，也有利于提高信噪比。另一方面，全電壓擺幅的振蕩器有很長時間工作在過飽和區(qū)以及截止區(qū)，使得整個電路的工作頻率降低，和差分結構相比，對電源的噪聲抑制能力較差，相位噪聲比較大。單端結構的延遲單元主要有：管電阻型、電流饑餓型【、互補開關型【】和可變負載型【】等。（）管電阻管在合適的偏置條件下，其源漏電流受柵源電壓的控制，可以等效為變阻器。如圖所示，將管插在兩級環(huán)路之間，可以改變前后兩級之間的電流，從而改變負載電容（從輸出結點到地看到的總電容）兩端電壓變化的快慢，因此可以調整電路的振蕩頻

32、率。圖管變阻環(huán)形這種電路的主要優(yōu)點是輸出電壓的擺幅比較大，但是管作為延遲單元的一部分會引起另一個問題，就是當電壓較小時，管進入截止狀態(tài)，源漏電流變得很小，負載電容兩端的電壓幾乎不變化，振蕩器也就不可能振蕩。圖是對上邊電路的改進版，圖中增加了旁路管，作在飽和狀態(tài)，并且的要比，很多。當較大時，通過的電流較大，遠大于的飽和電流，此時主要是通過控制進行電流調節(jié)；當較小時，截止，截止電流小于的飽和電流，這時將主要由對電容進行充放電，使電路仍然可以維持振蕩。尸牛已奸緝廠戶（）電流饑餓型制振蕩頻率。叫真圖管變阻型延遲單元電流饑餓型也是一種傳統(tǒng)的振蕩器結構，就是在反相器的兩端分別續(xù)接一個控制電路，通常是和管，

33、如圖?？刂齐娐房梢钥刂品聪嗥髌秒娏鞯拇笮?，同時控制對負載電容的充放電電流大小。這種電路可以更靈活的控卜一一，。一卜（）互補型開關變阻器毒一。圖傳統(tǒng)電流饑餓型延遲單兀文獻和文獻都利用了傳輸門作為延遲單元的一部分，如圖示。如果假設傳輸門的等效電阻為。，反相器的負載電容為。，并且傳輸門的寄生電容相對于可以忽略，那么根據(jù)一階等效模型，傳輸門的延遲可以表示。，。由于傳輸門的電阻調節(jié)范圍比較大，所以整個電路的頻率調節(jié)范圍也較寬，可以達到數(shù)量級以上。但是，因為傳輸門是直接串聯(lián)于反相器之間的，增加了延遲單元的延遲時間，所以振蕩器的中心頻率會被降低，采用這種設計的中心頻率可能只有原來的一半【¨。圖互

34、補型開關變阻環(huán)形（）可變負載延遲結構這種結構通過把可控負載部分并聯(lián)于反相器的輸入端，從而避免了對環(huán)路最大振蕩頻率的影響，同時獲得較寬的調節(jié)范圍。如圖所示，當關閉時，負載電容和振蕩器的連接被切斷，振蕩器的最大頻率可以保持不變。當然，即使關閉，其漏端仍然連接在振蕩器上，所以這些晶體管需要特殊設計，盡量減小寄生電容對振蕩器的影響。圖可變負載環(huán)形差分延遲單元與單端結構相比，差分結構因其顯著的特點而被普遍采用，如較高的工作頻率，較好的共模噪聲、環(huán)境噪聲和電源噪聲抑制能力，但是差分結構的電路比較復雜，也會引入很多的器件噪聲。差分環(huán)形振蕩器的應用比較廣泛，延遲單元的結構也是多種多樣，如果按照控制電路所處的位

35、置可以把常見的差分振蕩器分為：（）負載電阻控制型；（）尾電流控制型；（）反饋信號控制型。通常振蕩電路會增加一些輔助電路，以調整電路的某些性能，本節(jié)也將對這部分電路做簡單分析。（）負載電阻控制型這是一種傳統(tǒng)的延遲單元，如圖所示，和作在三級管區(qū)，每個晶體管都可以被看作是一個由，控制的可變電阻。當，變得更正時，并的導通電阻增加，因而增加了輸出時間常數(shù)，從而降低了振蕩頻率厶。如果和保持在深三極管區(qū)，那么：鏟如印習玎贏厶÷壘一圖負載電阻控制型延遲單元在上面的等式中，負載電容。表示從每個輸出結點到地看到的總電容。電路延時大約與成正比，從而有：，以巳等（一，一）乙可以看出，厶。與成線性關系。但在實

36、際的電路中，當調節(jié)范圍較大時，這種結構的線性度較差。另外，因為工作在三極管區(qū)的可變電阻受偏置條件一，的影響較大，所以這種結構對電源噪聲的抑制能力較差【憾】。（）尾電流控制型尾電流控制型也是一種傳統(tǒng)的延遲單元，如圖所示，這里把負載電阻接成了二極管形式，通過改變差分對的尾電流來改變延時，從而改變振蕩頻率。圖中，控制著尾電流，一般情況下，有多種電流形式，可以是單獨的電壓控制電流源，可以是通過鏡像的壓控電流源，也可以是由單一的管來作為電流源，因為后兩種的結構比較簡單，易于集成，比較常用。圖尾電流控制型延遲單元如果輸入的振幅足夠大，尾電流將在差分對的兩個管子之間隨圪來回切換，假設是輸出信號的峰峰值，是負

37、載電容，那么每級的延遲可以表示為，振蕩頻率為：￥襲，可以看出振蕩頻率與尾電流成線性關系，并且，。的調節(jié)范圍直接影響振蕩器的調節(jié)范圍，同時的線性度也決定了振蕩器的線性度。負載電阻控制型和尾電流控制型都有一個缺點：電路的輸出擺幅在整個調節(jié)范圍內變化比較大。在完全切換時，每級的差動對輸出擺幅為，。足。，因此無論還是恐。，如果要求調節(jié)范圍有比的變化，就轉變成了二倍的擺幅變化。為了使。足。保持相對的恒定，可以考慮將上述兩種延遲結構合并在一起，也就是利用，同時控制和、，使得當心、。變大的時候，使變小，這可以通過鏡像電路產生一個與圪。，互補的控制端來控制負載電阻，雖然不可能使輸出擺幅恒定，但可以使其保持相對

38、穩(wěn)定。（）反饋信號控制型這種結構通過改變反饋或耦合信號的強弱，間接的改變振蕩頻率。比較典型的應用如圖】【】【】。圖交叉耦合延遲單元圪。，通過晶體管和間接的改變負載晶體管的柵極電壓并控制著交叉耦合（反饋）的強弱。當，變低時，反饋變弱，對負載的驅動電流變強，延遲減??；相反，當圪。，變高時，反饋將阻止差分管輸出電壓的切換，延遲時間增加。這種電路的特點是噪聲抑制能力比較好，但調節(jié)范圍縮小了。輔助電路僅僅依靠基本的環(huán)形電路，振蕩器的某些指標往往達不到要求，例如相位噪聲、線性度等等。所以確定電路的基本框架之后，還需要對電路進行某些調整，這就要考慮加入一些輔助電路。（）線性電阻作為尾電流鏡像電流電阻如圖，兩

39、個源漏分別相連的管和管可以作為一個可調的線性電阻。管采用二極管連接并始終工作在飽和區(qū)，管去始終工作在線性區(qū)，這樣兩晶體管工作區(qū)域互補，同時使漏極電流之和保持較好的線性關系【】。因此，當，巧時，通過的電流為（）（，一巧）這里巧，為管的閾值電壓，作爭為管的增益因子，其中心為載流子遷移率，巳為單位面積的柵氧化層電容，彤厶為管寬長比。同樣，當一巧：時，的漏電流為：厶（一巧）一，心其中巧：為的閾值電壓，如以爭為的增益因子。假設墨，即和的增益因子相同，具有好的匹配，那么總電流厶厶，綜合式和可得：上一。足（匕一巧巧：）掰吩。一，（圪一吩）圪硎一嘻腳巧“巧一吩圖線性電阻控制型環(huán)形因此，在巧。，一巧：條件下，將

40、電流對，求導可得圖源漏兩端的等效電阻為：如（一巧）一巧由此可知，在給定的工藝和寬長比條件下，等效電阻足。與管的柵電壓巧成反比例線性關系。由式可知，當控制電壓為一定值時，總電流與可變電壓成正比，并具有很好的線性關系?；诖怂枷耄梢圆捎霉潭ㄒ?，變化圪。，來得到線性電流作為差分對的尾電流【】。這樣做雖然不能明顯提高振蕩器的中心頻率和調節(jié)范圍，但可以降低壓控振蕩器的靈敏度一，對于電路，低的靈敏度可以加快收斂【。（）源電容耦合電流放大器源電容耦合電流放大器【】（：）的電路結構如圖，該電路的主要特點是對低頻和高頻噪聲都有很好的抑制能力。的電路模型如圖，是在傳統(tǒng)的差分放大器的尾電流端并聯(lián)了一個耦合電容，同時它也繼承了差分對的優(yōu)點，如共模抑制、噪聲抑制等。其等效電路如圖，經推導該模型的等效跨導為：甌（：，）赫從上面的式子可以看出：）當趨向于或無窮時，趨向于：）當厶分。時，甌甌一其中如為中心頻率。上面的分析說明電路具有帶通特性，所