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摘要 论文题目：差频法抑制环形压控振荡器的频率漂移研究 学科专业：微电子学与固体电子学 研究生：黎学超 指导教师：余宁梅教授 摘要 签名： 签名： ，? 饿超 振荡器是通过自激的方式使得自身输出的信号按周期性重复的一种电路，差分环形压 控振荡器的输出频率容易受到环境等条件的影响而变的不稳定。影响环形压控振荡器稳定 的主要因素包括电源噪声、温度变化两方面。本文从这两个主要方面入手研究提高振荡器 稳定度的方法。 在电源噪声抑制上，提出利用电源反馈的方法来抑制频率的漂移。研究电源反馈和频 率漂移之间的关系，利用浮栅晶体管作为频率控制管来实现反馈电路，并选择出合适的浮 栅电容比例。采用浮栅晶体管后控制灵敏区偏移到负的电压区域，用浮栅单管设计数模转 换器实现控制电压的负压输出，并用筘位电路保持数字量低位数据的有效传输。通过分别 在c h a r t e d ) 3 5 p mc m o s 工艺和t s m c 0 18 9 i nc m o s 工艺库下仿真，比较电源噪声的抑 制能力。并再对电路进行版图设计和后仿。 在频率温漂抑制上，通过分析m o s 晶体管的迁移率和阈值电压随温度的变化关系， 联系压控振荡器频率的温度敏感特性，提出了差频法抑制压控振荡器频漂的方法。为了更 好的验证差频法的可行性，考虑到压控振荡器在o 1 8 比m 工艺比o 3 5 p m 工艺更敏感，所 以采用t s m c 0 1 8 1 a m 工艺库，通过仿真和电路优化寻找具有温漂一致性的两个不同压控 点，根据相同电路结构下两个不同频率点具有相同温漂特性的特点，采用差频法获得稳定 的差频信号，抵消压控振荡器的温漂特性。 差频法抑制环形压控振荡器频漂，经过仿真验证后能够比较好的实现电源波动和温度 漂移的抑制： ( 1 ) 电源从1 6 v 到2 0 v 波动。在不同的仿真工艺条件下( s s 、f s 、t t 、f f 、s f ) 得到的中心频率范围从6 1 2 5 m h z 到8 6 2 5 m h z ，相应的频率漂移的范围都不超过中心频率 的9 。 ( 2 ) 温度从- i o 。c 到1 5 0 变化。在不同的仿真工艺条件下( s s 、f s 、t t 、f f 、s f ) 得到的中心频率范围从6 2 5 m h z 到8 5 0 m h z ，相应的频率漂移的范围都不超过中心频率的 1 2 。 关键词：环形压控振荡器；电源噪声：温度漂移；差频法抑制频率漂移；版图 一 垒塾鱼盟 - _ - 一。 。 t i t e l ：t h er e s e a r c ho fi n h i b i t i n gr i n gv c of r e q u e n c yd e v i a t i o nw i t h d i f f e r e n c ef r e q u e n c ym e t h o d m a j o r ：m i c r o e l e c t r o n i c sa n d s o l i de l e c t r o n i c s n a m e ：x u e c h a ol i s u p e r v i s o r ：p r o f n i n g m e i y u a b s t r a c t s i g n a t u r e ：丝2 5 竖盘眇 s i g n a t u 陀：善叫恤 0 s c i l l a t o ri sac i r c u i tb yw a yo fs e l f - e x c i t e dt om a k eo u t p u ts i g n a la c c o r d i n gp e n o d l c r e p e a t t h ed i f f e r e n c ea n n u l a rv c oo u t p u tf r e q u e n c yv u l n e r a b l et oe n v i r o n m e n tc o n d i t i o na n d b e c o m eu i l s t a b l e ，d i s c o v e rt h em a i nf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c ea n n u l a rv c o s t a b l e ，i ti n c l u d ep o w 盯 s u p p l yn o i s e ，c h a n g eo ft e m p e r a t u r et w oa s p e c t s f r o mt h et w oa s p e c t st or e s e a r c hm e t h o d t o i m p r o v e t h es t a b i l i t yo ft h eo s c i l l a t o r s i nt h ed o w e rs u p p l yn o i s es u p p r e s s i o n ，s u g g e s t e dt ou s e t h ef e e d b a c km e t h o dt os u p p r e s s p o w e rf r e q u e n c yd r i f t s r e s e a r c ht h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n f e e d b a c kc o e f f i c i e n ta n df r e q u e n c y d r i f t ，u s i n gf l o a tg a t et r a n s i s t o ra sf r e q u e n c yc o n t r o lt u b e t oa c h i e v ef e e d b a c kc i r c u i t ，a n d c h o o s em es u i 切b l ef l o a tg a t ec a p a c i t a n c ep r o p o r t i o n a f t e ru s i n gf l o a tg a t et r a n s i s t o r ，c o n t r o l s e n s i t i v ea r e am i g r a t i o n i n t o n e g a t i v ev o l t a g ea r e a , u s i n gf l o a t b a r s i n g l ep i p ed e s l g n d i g 谳t o a n a l o gc o n v e r t e r st or e a l i z et h eo u t p u tn e g a t i v ev o l t a g e ，g r o u n d 。c l a m pc i r c u i t t ok e e p t h ed i g i t a lq u a n t i t yl o wd a t ae f f e c t i v et r a n s m i s s i o n t h r o u g hr e s p e c t i v e l yi nc 胁e r o 3 5 岬 c m o st e c h n o l o g ya n dt s m c o 18 x mc m o sp r o c e s ss i m u l a t i o nt oc o m p a r et h ep o w e r s u p p i y n o i s es u p p r e s s i o na b i l i t y a n dd e s i g nt h el a y o u ta n d a f t e ri m i t a t i o n i nt h e 行e q u e n c yi n h i b i t i o n ，b ya n a l y z i n gt h er e l a t i o n so fm o s t r a n s i s t o rm o b i l i t ya n dt h e t h r e s h o l dv o l t a g ew i t h t h e c h a n g e s o ft e m p e r a t u r e ，c o n t a c tt h et e m p e r a t u r e s e n s i t i v e c h a r a c t e r i s t i c so fv c of f e q u e n c y ，p u t sf o r w a r dt h em e t h o do f d i f f e r e n c ef r e q u e n c ym e t h o d i n h i b i tv c o 舶q u e n c yd r i f t i no r d e rt ov a l i d a t et h ef e a s i b i l i t yo fd i f f e r e n c ef r e q u e n c ym e t h o d ， c o n s i d e r i n gt h ev c oi n0 18 p mi s m o r es e n s i t i v et h a n0 3 5p a np r o c e s s , s ou s l n gp r o c e s s t s m c 0 18u mt e c l l i l 0 1 0 9 yl i b r a r yt os e a r c hw e n p i a oc o n s i s t e n c yw i t ht w od i f f e r e n tp r e s s u r e c o n 缸d ld o i n t sb ys i m u l a t i o na n dc i r c u i to p t i m i z a t i o n ，a c c o r d i n gt ot h e s a m ec i r c u l ts t m c t u r e u n i d e rt 、od i f f e r e n tf r e q u e n c yw i t ht h es a m ew e n p i a oc h a r a c t e r i s t i c s ，u s i n g 虹e q u e n c ym l x m g m e t h o dt oo b t a i ns t a b l ed i f f e r e n c ef r e q u e n c ys i g n a la n d o f f s e tt h ev c ow e n p i a oc h a r a c t e n s t l c s t h r o u g ht h e s i m u l a t i o nv a l i d a t i o n d i f f e r e n c ef r e q u e n c ym e t h o di n h i b i t i n gn n gv c 0 矗e q u e n c v d r i f tc a nb e t t e rr e a l i z ep o w e rs u p p l yf l u c t u a t i o na n dt e m p e r a t u r ed r i t t1 n h l b i t o r y ： f1 ) p o w e rf l u c t u a t i o n sf r o m1 6v t o2 0vi nd i f f e r e n ts i m u l a t i o np r o c e s sc o n d i t l o n s 【s s ， f s ，t t ，i f , s f ) t og e tt h ec e n t e rf r e q u e n c yr a n g ef r o m 612 5m h z t o8 6 2 5m h z ，b u tc o 仃e s p o n d i n g f r e q u e n c yd r i f tr a n g ed on o te x c e e d t h ec e n t e rf r e q u e n c y9 a b s t r a c t ( 2 ) t e m p e r a t u r ec h a n g e s f r o m - 10 t o15 0 i nd i f f e r e n ts i m u l a t i o n p r o c e s s c o n d i t i o n s ( s s ，f s ，t t ，i f , s ot og e tt h ec e n t e rf r e q u e n c yr a n g ef r o m6 2 5 m h zt o8 5 0 m h z ，b u t c o r r e s p o n d i n gf r e q u e n c yd e v i a t i o nd on o te x c e e dt h ec e n t e rf r e q u e n c y12 k e yw o r d ：a n n u l a rv c o ：p o w e rn o i s e ：t e m p e r a t u r ed r i f t ：d i f f e r e n c ef r e q u e n c y ： i n h i b i t i o nf r e q u e n c yd e v i a t i o n ：t e r r i t o r y ： 1 1 1 目录 目录 1 绪论1 1 1 引言1 1 2c m o s 集成电路的现状和趋势1 1 3 振荡器的应用2 1 4 本文的工作和意义3 2 振荡器的原理5 2 1 负反馈理论下的振荡器起振条件和稳定条件5 2 1 1 巴克豪森原理5 2 1 2 平衡条件6 2 1 3 稳定条件6 2 1 4 几种常用振荡器的介绍7 2 2 两级差分c m o s 环形振荡器的电路结构与原理一9 2 3 小结l l 3 差频法抑制环形压控振荡器频漂的研究设计1 3 3 1 基本环形压控振荡器的设计1 3 3 2 具有电源噪声抑制能力的环形压控振荡器设计仿真1 4 3 2 1 浮栅电容比例的选择确定1 6 3 2 2c h a r t e d0 3 5 m m 下具有电源抑制作用的环形压控振荡器仿真1 8 3 2 3t s m c0 1 8 m m 下具有电源抑制作用的环形压控振荡器仿真2 1 3 2 4 具有电源抑制能力的环形压控振荡器在两种工艺库下的仿真结果分析2 5 3 3 输出负压控电压的d a c 设计与仿真2 6 3 4 具有电源噪声抑制能力的环形压控振荡器频率漂移一致性仿真验证2 9 3 4 1c h a r t e r o 3 5 m m 工艺振荡器频率漂移一致性仿真验证3 1 3 4 2t s m c o 1 8 m m 工艺振荡器频率漂移一致性仿真验证3 3 3 5c m o s 混频器设计与仿真3 6 3 6 差频法抑制环形压控振荡器频率漂移的仿真验证3 8 3 7 小结4 4 4 工艺失配下差频法抑制环形压控振荡器频漂的可行性仿真验证4 5 4 1 在f f 工艺条件下仿真验证4 5 4 2 在s f 工艺条件下仿真验证一4 8 4 3 在s s 工艺条件下仿真验证5 1 4 4 在f s 工艺条件下仿真验证5 4 4 5 仿真结果讨论5 7 西安理工大学硕士论文 4 6 小结5 8 5 版图设计5 9 5 1 版图设计规则5 9 5 2 具有电源噪声抑制能力压控振荡器的版图设计一5 9 5 3c m o s 混频器的版图设计6 1 5 4 小结6 2 6 总结与展望6 3 致谢6 4 参考文献6 5 附录6 7 i i 绪论 1 绪论 1 1 引言 在信息产业和技术飞速发展的今天，社会进入了一个新的信息时代。微电子技术是信 息产业的核心基础，而模拟集成电路却又是微电子技术的核心部分，模拟集成电路的发展 无疑会带来微电子技术的发展，成为了微电子技术和信息产业发展的重要指标。 现在的超大规模集成电路已经发展到了能在一块硅芯片上集成数百万个晶体管的程 度。c m o s 技术已经成为实现混合信号的主要技术，因为对数字电路来说c m o s 技术的 集成度高而且功耗低，而对模拟电路来说能够提供各样电路单元的组合。在过去的2 0 多 年中，c m o s 技术迅速的发展成为一种主流技术，为市场的低成本、高性能的c m o s 产 品的普及提供了最基础的技术支持，就因为c m o s 技术的普及与发展，使得c m o s 产品 成为了今天市场的主宰。c m o s 技术已经是复杂的混合信号系统的最佳选择。 在c m o s 技术发展的同时，人们对产品的要求不断地提高，如产品的高性能、小体 积、功耗低等，这对各种模拟子电路的设计提出了更高的要求。目前市场上的各种电子产 品的电源越来越低，功耗越来越低，体积也越做越小，这就要求系统内的模拟子模块电路 的性能更加的提高，因此高性能的模拟予电路模块的设计成为了c m o s 技术的重中之重， 需要更加的投入和研究，保持技术与市场的连接，满足市场的需求，同时也促进c m o s 技术的发展。 在现在和未来，大众化的电子产品其内在的电路都要求减少器件的数目，把产品的体 积最小化，还要缩短产品的开发时间，使得电子设备性能高，体积小，功耗低成本低，归 根到底，满足这些要求都是基于集成电路技术的高度发展。 1 2 伽0 s 集成电路的现状和趋势 1 9 6 3 年第一次出现了互补的m o s f e t ，就是c m o s 晶体管。在c m o s 集成电路中， 如果有一个反相器同时有源漏相连的p 沟道和n 沟道m o f s t e ，这样电路的一个最大技 术优点就是反相器工作时基本没有静态功耗，而且和其它工艺相比只需要相对来说比较少 的器件就可以实现门电路的功能，特别有利于大规模和超大规模集成电路的使用。但当时 的m o s 工艺还不是特别的成熟，增强型的m n o s 做出来比较难，而且还会伴随着出现 自锁现象，这些缺点大大阻碍了c m o s 工艺在技术上的推广和发展，所以在2 0 世纪8 0 年代以前没有获得广泛的应用，只能在一些低功耗领域上应用一下，比如：电子表、计算 器等一些小型的电子产品。 随着时间的推移，集成电路快速的发展，电路的集成度也越来越高，但伴随着功耗也 越来越大了，所以低功耗的c m o s 技术的优点越来越清晰地呈现在人民的眼前，由此人 们对低功耗的c m o s 技术加大了研究力度，研究量越来越多，通过研究发现c m o s 技术 比其他技术更适合于按比例缩小原理i l l 。在过去的3 0 多年中就像摩尔所推测的那样每个 硅芯片上的晶体管上的数目每一年半就翻一番，m o s 管的沟道尺寸也下降到现在的4 5 n m 或更低的。物理尺寸减小了，芯片的性价比优势就凸现出来了。而且沟道的缩小带来了 西安理工大学硕士学位论文 m o s 器件的速度提高，晶体管的截止频率也越来越高，可以用来设计高性能的模拟子电 路，甚至是射频电路。 c m o s 技术应用于模拟电路设计上，它的优点是显而易见的，体积小，可以在一个 硅晶圆上集成更加多的器件，实现更加强大的功能，如果和实现同样的功能b i c m o s 工 艺相比，所需的面积就要小得多了，所以c m o s 技术必会发展成为一种主流技术。目前， 集成电路已经发展到系统级芯片( s o c ) 的阶段，由于c m o s 电路的低成本、低功耗、 高的工作速度，使得其成为s o c 的最好技术选择。较低的制造成本和能在同一块硅晶圆 上同时集成数字电路和模拟电路改善整体性能指标使得c m o s 技术更具吸引力。 在数字超大规模集成电路中，最基本的要求是功耗低、速度快、成品率高，这些参考 标准随着器件的最小尺寸的缩小和集成度的加大而改善。 在c m o s 工艺已从深亚微米逐步向纳米水平发展的今天，数字i c 的设计水平已经得 到了极大地提高，而模拟i c 设计却成为了系统设计发展的瓶颈，所以高性能的模拟模块 的设计已经成为未来集成电路设计的主要方向。 1 3 振荡器的应用 目前振荡器被广泛的应用到了很多的微电子系统电路当中，如锁相环、频率综合发生 器以及时钟信号产生电路。在通信系统、广播系统和电视系统中，都要用到射频发射，这 里的射频波就是我们所说的载波，把音频、视频信号或脉冲信号运载出去，这同时也需要 一个能产生高频信号稳定的的振荡器；另外，在工业上、农业上和生物医学等诸多领域中， 如高频、感应加热、熔炼、淬火、超声波焊接、超声诊断和核磁共振成像等都需要用到功 率或大或小、频率或高或低的振荡信号1 2 】。常见的振荡器有以下三个种类：晶体振荡器、 l c 振荡器和c m o s 环形振荡器。其中晶体振荡器具有非常高的输出精度，但它的抗震动 和抗电磁干扰性能比较差。而l c 振荡器主要是用于产生出g h z 频段的频率，这个原因 是因为它的噪声性能较高1 3 j ，在高频下受电源噪声的影响比较小，但是l c 振荡器却给芯片 版图的设计带来了面积和增加成本的问题。 频率稳定度是频率源的一个极其重要的性能指标，在数字电路中的时钟信号源的频率 不稳定性表现为时钟抖动，这样子会造成时钟的不稳定，使得数字系统无法正常的工作， 在通信方面频率的不稳定也会容易形成干扰，严重时可能会导致混频现象。人们设计振荡 器的时候总是为着一个特定的应用方向来设计的，为了得到所需要的性能要求的振荡器， 我们就需要选择合适的振荡电路，并不断地对电路进行优化，来达到我们所需要的振荡器 性能。 c m o s 环形振荡器因为它有良好的抗震动、抗电磁干扰特性等特性，以及结构简单、 成本低等诸多优点而越来越多的被应用于集成电路内部设计当中，随着c m o s 工艺的不 断提高，设计输出频率稳定的c m o s 环形振荡器已经成为当下电路研究的热点。在压控 振荡器中，电源电压的波动和温度的变化会使得振荡器的输出频率产生漂移，所以要研究 这两个因素对振荡器的影响，同时抑制它们的作用显的至关重要。 2 绪论 1 4 本文的工作和意义 环形振荡器因为结构比较简单而用于许多集成电路的芯片设计中，但环形振荡器的输 出频率受电源电压变化的影响很大，当电源电压降低5 0 时，输出波形的频率下降程度在 5 0 以上，同时温度发生改变时频率的最大漂移范围也能达到5 0 以上，这样电路就不能 够在正常的情况下正常工作。用石英晶体稳定振荡频率固然有效，但这种方法需要外接晶 体并且需要占用两个管脚，给芯片版图设计带来面积和成本的加大。所以，改进环形振荡 器的频率稳定性就显得十分的重要了【引。 通常人们就会想到使用稳定的电压源来达到振荡频率稳定，但电路的复杂程度就会加 大并且难以稳定大的电压变化范围。有一篇文章，针对c m o s 环形振荡器输出频率的偏 差比较大而且容易受到电源电压影响而使得输出频率不稳定的这个缺点，提出了一种具有 较高输出精度和电源电压抑制特性的c m o s 环形振荡器的设计方法。这种方法是要通过 激光校准电路来控制输出频率的初始精度；通过有较高的电源抑制比的电压电流转换器来 产生稳定的电路内部电流，这样可以减小电源噪声对振荡器充电时间的影响，同时延时单 元采用的是内部稳定的电压源，这种方法在很大程度上减弱了外部电源噪声对频率的影响 p j 。但这种的处理方法却带来的是电路的复杂化，使得电路的版图面积和制作成本都提高 了。 鉴于此，提出一种比较简单的方法来改善电源噪声的影响。采用浮栅型m o s 管来作 为频率控制管，组成一个反馈回路，把电源噪声的一部分反馈到浮栅管的栅压上，来稳定 振荡器的频率特性。可以大大改善因电源电压变化时引起的振荡频率变化的现象。而且电 路简单，易于实现。 本文的目的就是研究差频法抑制环形压控振荡器频漂的可行性。本文的主要内容如 下： 首先：研究基本压控振荡器频率随温度变化和电源电压波动而发生改变的趋势，得到 引起压控振荡器频率漂移因素。对基本压控振荡器先进行内部的改进，采用浮栅m o s 管 作为频率控制管，初步的实现了对电源噪声的抑制，并在c h a n e r 0 3 5 9 m 和t s m c 0 1 8 啪 工艺库下仿真验证。同时因为浮栅管的引入使得控制灵敏区不可避免的进入了负电压区 域，所以设计了一款4 输入浮栅d a c 实现负控制电压的输出。 其次，通过分析m o s 晶体管的迁移率和阈值电压随温度的变化关系，检查具有电源 抑制能力的压控振荡器在不同频率点的频率温度漂移特性，确定两个频率漂移一致的频率 点，因为这两个频率点具有差模属性，混频取差值后输出信号将稳定。同时因为需要取的 差值信号为7 5 0 m h z ，而c h a i t e r o 3 5 p m i 艺库下不能用差频实现这个信号的输出，并且压 控振荡器在0 1 8 p m i 艺t t , o 3 5 p m i 艺更敏感，所以确定用t s m c 0 1 8 p m i 艺研究差频法 抑制压控振荡器频率漂移的可行性。并且由于取差频的原因，所以需要混频器来实现，设 计了一款4 输入浮栅混频器，来实现此功能。 最后，在不同的仿真工艺条件下，验证差频法的可行性。得到各种工艺角下差频输出 西安理工大学硕士学位论文 信号的稳定性，对各种工艺角下的具体情况进行比较。并进行版图的布局验证，保证所设 计的电路图能够在工艺下实现。 4 振荡器的原理 2 振荡器的原理 振荡器的最基本特征是在提供外加直流电源后可以向负载提供一个频率一定，功率一 定的交流信号，这个特征包括两个方面( 1 ) ：振荡器要接的是直流电源，而输出时是有一 定频率的信号；( 2 ) 振荡器的最终输出是一个稳定的信号。 振荡器的种类比较多，按工作原理可以分为反馈型振荡器和负阻型振荡器等 6 1 ；根据 所需要的波形可以分为正弦波振荡器和非正弦波( 矩形脉冲，三角波，锯齿波等) 振荡器； 根据选频网络所采用的器件可以分为l c 振荡器，晶体振荡器，r c 振荡器等。 2 1 负反馈理论下的振荡器起振条件和稳定条件 2 1 1 巴克豪森原理 和大家所知道的那样，一个负反馈系统电路可以产生振荡，图2 1 介绍负反馈系统构 成的振荡器的起振条件。 图2 - 1 负反馈系统 f i g2 - 1n e g a t i v ef e e d b a c ks y s t e m 在图2 1 中，三角型表示的是一个基本的放大器，它的传输函数为k ( c o ) ，环路的闭环 增益为： 鳖f i n ( 咖羔k ( c o ) ( 2 ) + l 如果负反馈的输出相位偏差的比较大，经过反馈回输入端时，与输入信号相减，那 么就会使得原来输入的信号得到- 3 力h 强，那样子振荡就会产生了。可以看出来的是，当 k ( c o ) = 一1 时，环路的闭环增益为无穷大。这个时候的相位偏移为1 8 0 。现在来考虑一下 环路的增益，如果假设输入的电压为，那么： u 。们- - - 扰。+ u 。ik ( c o ) l + 甜。ik ( c o ) 1 2 + 拢。ik ( c o ) 1 3 + ( 2 2 ) 由此可见，在k ( c o ) 1 时结果是不收敛的，当k ( w ) 一一1 6 0 d ：；l e t j 7 i ：v o u t r 1 r 自一1，j i i ， l j 。上一一- 。一一i 一。i 。一。，j 图3 2 8t s m c o 1 8 岬工艺下d a c 的输入与输出 f i g3 - 2 8i n p u ta n dt h ec o r r e s p o n d i n go u t p u tw a v e f o r mo fd a ci nt s m c o 1 8 p m n 这个d a c 的输出模拟量在一1 5 6 0 一3 4 0 m v 之间，以步长约为7 7 m v 变化。当然，如果 所需要的电压不在这个范围之内，我们可以通过对电阻阻值和n m o s 的宽长比来调整比例， 达到所需要的电压值。 图3 2 9 为d a c 在c h a r t e d o 3 5 岬工艺下的输出： ；一 _ ： 一 差额法抑制环形压控振荡器颠漂的研究设计 ：。l 一。 = = = = 二= 二= n e t l 3 ：。l 一 = = = = = 0 n ! 。卜 二= ， 二= 。 一 二= - m “1 7 ：。l 口口口口口口口 ：“ 一：f 。= = = = = = 二= = 图3 2 9c h a r t e d o3 5 1 m 工艺下d a c 的输入与输出 f i 9 3 - 2 9 i n p u t a n d t h ec o r r e s p o n d i n g o u t p u t w a v e f o r m o f d a c i n c h a r t e d o3 5 这个d a c 的输出模拟量在一2 4 6 0 1 0 4 删之间，以步长约为8 9 m y 变化。 由上图3 2 8 、图3 - 2 9 可以看出，在两个不同的工艺库下，d a c 的输出电压为负 值电压，而且输出的负电压值的大小变可以变化，它可以由电阻r 和n m o s 管来调节实 现。由于产生的负值电压是用来提供给压控振荡器作为控制电压的，所以需要比较精确， 而这个4 位d a c 能够满足压控振荡器的控制电压要求，所以可以用于产生所需要的负值 控制电压，提供给压控振荡器，使得压控振荡器输出频率为预想值。由结果可以看出，所 设计的负输出电压d a c 能够满足压控振荡器控制电压的需求，实现了负压控输出。 3 4 具有电源噪声抑制能力的环形压控振荡器频率漂移一致性仿真验证 本章的第二节，在不加任何使得频率稳定的外加电路时，采用了浮栅m o s 管作为频 率控制管”9 删，在抑制电源噪声方面上有了一定的进展和改善，使得电源噪声对输出频 率波动影响降低了，但采用浮栅m o s 作为频率控制管虽然在电源方面起到了一定的抑制 作用，但电源和温度对单个压控振荡器的频率影响还是非常严重的，图3 3 0 为图3 7 振 荡电路的频率电源敏感特性，图3 - 3 1 为图3 7 振荡电路的频率温度漂移特性。 图3 _ 3 0 输出频率的电源敏感特性 f i g3 - 3 0 p o w e rs e n s i t i v i t yo f f r e q u e n c y 西哥理工走学硕士学位论文 刨3 - 3 l 输出频率的温度漂移 f i g3 - 3 i f r e q u e n c yd n rc h a r a c t c r l s t i c 由图可以看出，频率的电源敏感性和温度漂移性都不能忽略，需要再改进。 如果两个振荡器在不同的频率点上其温漂特性能够一致的话，那么连同电源噪声造成 的频率漂移也会具有一致的漂移特性，在这种有着共同漂移特性的情况下，就可以用差频 的办法来把这些频漂加以消除，所以问题就转移到了寻找具有一致频漂特性的频率点上。 图3 7 是具有电源抑制能力的压控振荡器电路图，这个压控振荡器只要在某两个频率 点上频率漂移特性具有一致性时，那么将这两个频率点的输出信号经过混频器进行混频后 就可以得出一个频率较低但比较稳定的差频信号。 事实上输出频率温度漂移的内在原因是电子迁移率和阈值电压随温度的变化分别发 生变化产生的，m o s 在饱和区时的跨导为： g m = 。q ( 一) ( 3 - 4 ) 闽值电压随温度变化关系为引i ：= + 尸( t r o ) p 为平均的温度系数，大约为一2 - - - 4 m v c 载流子的迁移率与温度的变化关系为： p ，= ，。( 斋) 一； 由环形振荡器振荡频率为o2 云 医三五五五巫 c 2 所以我们可以对频率相对于迁移率求偏导，可以得到 ( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) ( 3 - 7 ) 差2 彘瓦i 乏萧t 2 岛x k 2 - 2 ( - s 一崛x - 即 频率对温度的求偏导迁移率为中间变量为： 善等= i 夏1 忑乏i 盂i 1 震：i i 西a 旋+ 年岛一+ s 一+ q x 戈+ k ) 。嚎乒c ”， 差额法抑制环形压控振荡嚣频漂的研究设计 频率对温度的求偏导阈值电压为中间变量为： 善竖：上f i 心捌+ 她。+ + q 煺一只妒( 3 1 0 ) 辨a t4 z c l 9 2 ，2 一( + 。+ q r 一”“。 其实频率相对于温度的变化是由迁移率和闽值电压一起决定的，所以频率的温度漂移 特性为式( 3 9 ) 和式( 3 - 1 0 ) 共同决定。其中： k = 乞( 一) ( 3 1 1 ) 只= p c 。， ( 3 1 2 ) 所咀可阻看出频率温漂特性的太小与电路管子的尺寸选择、控制电压的大小、和温度 有关，如果调整m o s 管尺寸使得k 5 = k 4 ，那么频率就与温度的变化没关系了。如果m o s 管尺寸不变，控制电压发生改变，使得在频率温度漂移在一定的温度范围内差不多一样， 那么同一个压控振荡器在不同的频率控制点上就有一致的频率漂移特性了。由于工艺参数 我们在设计时不确定，所以从理论上确定管子的尺寸满足要求的难度比较大，我们就采用 仿真的方法来寻找具有频率漂移一致性的两个频率点。 在仿真中可以发现，不同的频率点在相同的温度变化区域内频率漂移特性不是所有都 保持一致性的。 3 4 1c h a r t e r o 3 5 p m 工艺振荡器频率漂移一致性仿真验证 图3 3 2 为在c h a r t e d ) 3 5 岫工艺库下寻找到的两个具有频率漂移一致性的频率点： 图3 - 3 2 两个不同频率点的温漂特性 f i g3 - 3 2 t w od i f f e r e n t f r e q u e n c i e s o f t e m p e r a t u r e d r i f tc h m c t e f i s t i e s 由图可以看出，在控制电压和电源电压保持稳定时，输出频率是会随着温度的升高而 降低的，这样子会使得振荡器的输出频率不稳定，所以频率温度漂移也需要考虑和抑制。 我们可以再仔细的观察图3 - 3 2 ，从中我们可以看出，输出频率的温度漂移方向都是一致 的，所以如果我们把这两个频率做差，得出的频率可能会随温度的变化频率变化不明显， 西安理工太学硕士学位论文 所以就把这两个频率做差，得到图3 - 3 3 图3 3 3 两个频率点温漂的差值 f i g3 - 3 3 d i f f e r e n c e v a l u e o f t w o f r e q u e n c y t e m p e r a t u r ed r i f t 由图3 ”可以看出，两个不同频率点的温漂特性的差值可以得到一个输出频率比较 低，但频率温度漂移比较小频率点。由此可以联想到用混频器产生一个频率为f 1 f 2 的频 率，f l 和f 2 为图3 3 2 的两个频率，进过混频器后就能得到一个f = f 1 - f 2 的频率，而且 这个频率的温漂特性比较小，达到了抑制温漂的要求。 同时也测量这两个频率点频率的电源敏感特性，得到图3 3 4 ： 图3 3 4 延迟单元改后前两个频率点的电源敏感性比技 h g3 - 3 4 t w o f r e q u e n c yp o w e rs e n s i t i v i t yc o m p a r i s o no f d e l a yu n i ta 知r m o d i f i c a t i o n 由图3 3 4 可以看出，在满足频率点温漂特性一致性的前提下，这个经过改进后的具 有电源抑制能力的环形压控振荡器的残余电源敏感性也具有一致性。差频法可以进一步的 把电源抑制作用降低。所以这就更加的说明本章第二节采用浮栅m o s 管对电源波动进行 抑制的必要性。图3 - 3 5 说明了这种必要性： 差额击抑制环形压控振荡器颊漂的研究设计 图3 - 3 5 延迟单元改进前和改进后差频输出频率的电源敏感性比较 f i g3 - 3 5d d a yb e f o r em o d i f i c a t i o na n di m p r o v e m e n ta f t e ru n i td i f f e r e n c ef r e q u e n c yo u i p u tf r e q u e n c y p o w e rs e n s i t i v i t ye o m p a r l s o n 由图3 3 4 可以看出，延迟单元改进后，两个不同频率的信号经过差频后输出的频率， 它的电源敏感性有所改善。这是采用了浮栅m o s 管后的频率电源敏感性，那究竟采用这 种m o s 管来实现电源抑制作用是否有必要，是否会对差频输出信号有更好的改善作用 呢? 由图3 - 3 5 可以看出延迟单元经过改进后的振荡器，两个频率经过混频器差频的输出 信号，其电源敏感特性要比没有改进的要好。所以由此可以看出，延迟单元经过改进后的 振荡器，其混频后差频输出信号的电源敏感性低，能有效地抑制电源波动带来的频率漂移， 实现了输出频率的稳定。因为对延迟单元进行过电源抑制的改进所吼差频得出信号的电 源抑制作用要比温漂抑制作用要强。所以证明了差频前采用浮栅m o s 来抑制电源噪声是 有必要的。因为我们需要产生一个7 5 0 m h z 的差频信号，而在c h a r t e r 03 5 l l i l l 工艺库下不 能用差频法来产生一个这么高频率的信号( 因为在c h a r t e r o3 5 m n 工艺库下频率的变化范 围不大，达不到7 5 0 m h z 所以也就不存在能产生这个差频信号的两个频率点) 同时考虑 到压控振荡器在o1 8 岬工艺比03 5 岬工艺更敏感，所以我们改用t s m c 01 8 9 m 工艺库 研究差频法抑制压控振荡器频率漂移的可行性，所以同样我们需要寻找t s m c 01 8 哪工 艺库下相同频率漂移特性的频率点。 3 4 2t s 1 8 1 a n 工艺振蔫器频率瀑移一致性仿真验证 图3 _ 3 6 为在t s m c 0 1 8 u m 工艺库下寻找到的两个频率漂移特性一致的频率点，并且 这两个频率点在正常情况一f ( 工艺角为典型的、电源电压稳定为18 v 、温度为室温) 差 频的频率为7 5 0 m h z 。 西安理工走学硕士学位论文 图3 3 6 砥个不同频率点的温漂特性 f i g3 - 3 6 t w od i f f e r e n t f r e q u e n c i e so f t e m p e r a t u r ed r i f t ：c h a r a c t e r i s t i c s 由图3 _ 3 6 可以看出，在控制电压和电源电压保持稳定时，输出频率是会随着温度的 升高而降低的，这样子会使得振荡器的输出频率不稳定，所以频率温度漂移需要考虑和抑 制，同时我们也可以看出不管在t s m c 0 1 8 p m 工艺库下还是在c h a r t e r o3 5 1 t i n 工艺库下振 荡器的输出频率都会随着温度的升高而降低，大体的趋势是一样的，不会因为工艺的不同 而改变。我们可阻再仔细的观察，从图中我们可以看出，两个不同频率点输出频率的温度 漂移方向都是一致的，而且基本上是保持着平行的趋势，所以这就为我们把这两个频率做 羞提供了一种可能性，做差后得出的频率可能会随温度的变化频率变化不明显，所咀就把 这两个频率做差，得到图3 - 3 7 ： 削3 3 7 两个频率点温漂的著值 f i g3 - 3 7 d i f f e r e n c e v a l u eo f t w o f r e q u e n c y t e m p e r a t u r ed