（电路与系统专业论文）25ghz注入式压控振荡器设计.pdf

25 g h z 注入式h 挖振荡器啦计 摘要 随蒋通信技术的逃猛发展，利掘无线迎信和光纤通信成为当前研究的热点，再国在这两个领域 m a g 竞争也越米越激烈。开发刖频无线通信平光纤通信系统的芯片具有j 。阔的市场潲力和府_ _ | j 前景。 n ：控振荡器( v c o ) 是通信系统的关键部什。而注入同步振荡器( s o ) 不仅具有一般压控振荡 器的功能，同时它的本振频率还能直接同步丁外界输入信号的频率。本文简要介蜊了注入式压控振 荡器的基本原理千电路拓扑结构。 目前射频芯片乖高速光纤通信芯片绝大多数都是采爿j 的高速双极性硅j 。艺和砷化缘i ：艺。随着 c m o s 。艺向亚微米、深亚微米的发展，已经可能用先进的c m o s1 艺来设计高频高速电路。鉴丁 c m o s i 艺的成熟度、获得生产线支持的释易程度和价格的低廉，我俐采h jt s m c0 2 5u mc m o s 1 二艺设计本课题中的s o 。 相位噪声是压控振荡器的重要指标，到目前为止，还没有关了_ i 相位噪声的完整理论。本文用 个章节简略地讨论了相位噪声的定义利形成机理。 本次设计中用到电感和变容管等无源元件。片上无源电感在c m o s 工艺中也是比较难制作的元 件，精确度不高。文中也给出了这些元件的模拟过程。 文章结尾给出了s o 芯片的完整的模拟结果、版图设计和测试结果。s o 模拟的振荡频率为 2 6 6 g h z ，注入锁定范围为8 0 m h z ，压控范嗣为4 0 0 m h z ，实测振荡频率为2 2 g h z 。鹾后对模拟与 测试结果的差异进行了分析。 【关键词】注入同步压控振荡器c m o s 工艺电感 25 g h z 淀八j 弋1 t ( t v 抓荡器设“ a b s t r a c t w i t hl h ef a s td e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e ，t h ef i e l d so fr a d i of r e q u e n c y c i r c u i td e s i g na n dh i 醢- s p e e dl cd e s i g nf o ro p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e mh a v ed r a w nt h e g r o w i n gi n t e r e s t sa m o n ge n g i n e e r sa l lo v e l t h ew o r l db e c a u s eo ft h e i rh i g hm a r k e tp o t e n t i a l a n dg o o dm a r k e tf o r e g r o u n d v o l t a g ec o n t r o l l e do s c i l l a t o r ( v c o ) i sak e yb u i l d i n gb l o c ki nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m a n dt h e s y n c h r o n o u so s c i l l a t o r n o to n l yf e a t u r e st h ea v e r a g ev c 0 ，b u ta l s oc a l lb e s y n c k r o n i z e dd i r e c t l yb yai n j e c t e ds m a l ls i g n a li fi t sf r e q u e n c yi sc l o s ee n o u g ht ot h ef r e e r u n n i n gf r e q u e n c yo ft h es o i nt h i sp a p e r ，t h eb a s i ct h e o r i e sa n dt o p o l o g i e so fa v e r a g ev c o a n ds oa r ep r e s e n t e da n ds u r v e y e d m o s to fr fc h i p sa n du l t r ah i g h s p e e dc i r c u i t sa r eb a s e d0 1 1t e c t m o l o g i e ss u c ha sg a a s ， b i p o l a rs i ，b i c m o sa n ds oo na tt h em o n l e n t w i t ht h ed e v e l o p m e n tt o w a r ds u b m i c r o na n d d e e ps u b m i c r o nt e c l m o l o g y ，c m o sp r o c e s sw i l lt a k em o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l e i nt h e f i e l do fr fa n du l t r ah i g h - s p e e dc i r c u i t d e s i g n b e c a u s ei t sl o wc o s t sa n de a s yo f i m p l e m e n t a t i o nh e n c ew ed e s i g nt h es ow i t ht s m c0 2 5l a mc m o s t e c h n o l o g y p h a s en o i s ei sa l li m p o r t a n ts p e c i f i c a t i o no fo s c i l l a t o r h o w e v e r , n o c o m p l e t et h e o r y a b o u tp h a s en o i s ei nv c oi sa v a i l a b l eu pt on o w , o n e c h a p t e ro ft h ep a p e ri sd e v o t e dt ot h e d e s c r i p t i o no ft h et i m i n gj i t t e r ，p h a s en o i s ea n dt h e i rm e c h a l ) i s m s i m u l a t i o nm e t h o d so ft h ep a s s i v ec o m p o n e n t s ，s u c ha si n d u c t o ra n dv a r a c t o ra r ea l s o p r o v i d e d ，a tt h ee n do fp a p e r , s i m u l a t i o nr e s u l t s ，l a y o u t sa n dm e a s u r e m e n tr e s u l t so ft h es o c h i pa r ep r e s e n t e di nd e t a i l t h ec i r c u i tr u n sa t2 6 6 g h za n ds h o w sav o l t a g e c o n t r o l l e d f r e q u e n c yr a n g eo fa b o u t4 0 0 m h z ，a n dc a l lb es y n c h r o n i z e df o ra b o u t8 0 m h zi nt h e s i m u l a t i o n t h ef i n a lc h i po s c i l l a t e sa t2 2 g h zd i f f e r e n c eb e t w e e nt h et w or e s u l t sa r e a n a l y z e d ； 【k e yw o r d s 】i n j e c t i o n s y n c h r o n o u so s c i l t a t o r s ov c o c m o si n d u c t o r 学位论文独创性声明 小八声l 列所，1 交的学位论文是我个人在导师指导卜进行的研究：l f l 肢墩 。j 的研j t 成粜。尽我所知，除了文中特别加以标注和致训的地方外，论文巾小乜禽 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机枕 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在硷文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：蟀丛虹日期：业2 ：i ，7 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公靠( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公靠( 包 括刊掺) 授权东南大学研究生院办理。 答名：挚一一名：丝生日期：越生? 25 g h z 注入c 挑挖振荡器i 5 1 计 第一章引言 带纪之交，伴随着信息化的进利，信息技术以前i 来有的速度发展。纵览五彩绩纷的l 乜信新技术 有两个特划耀眼的热点：一是无线通信，二是超高速光纤通信。 1 1 射频和无线通信系统 当前全球移动通信正以前所未有的高速度在发展。作为以实现任伺时候、任何地方平任何人的 通信为目标的个人通信的有效手段，移动通信变得越爿越背及。有关统计资料表明 珥到2 0 0 1 年底， 全球移动用户总数达到9 5 亿左右，预计2 0 0 6 年全球移动川户将达1 7 亿。无论国内外，移动通信 都是个十分巨人的市场，它也是世界各国的重要支柱产业。目前移动通信发展的目标是移动电话 的功耗和价格以每年3 0 的速度递减。因此设计优性能、成本低的射频通信芯片具有1 e 常j 阏的市 场潜力。 日前的移动通信产品以第二代数字移动通信为其主体，它包括欧泱i 的全球移动通信系统( g s m ) 采用时分多址( t d m a ) 技术 和北美的i s 9 5 标准 采削码分多址( c d m a ) 技术 。g s m _ _ l 作 频段在9 0 0 m h z 和1 ，8g h z 两个频带，i s ，9 5 j 作频段在9 0 0 m h z 和2 g h z 两个频带。第三代移动 通信( 3 g ) 的标准主要有北美的宽带c d m ao n e ，现称c d m a2 0 0 0 ，日本宽带c d m a ( w - c d m a ) 和欧洲提出的t d c d m a 。由于各国之间利益上的矛盾，尚未有全球统一的标准。我国则采删人唐 公司自主知识产权的t d s c d m a 标准。根据世界无线电管理大会( w a r c ) 制定的i m t - 2 0 0 0 模型 的建议【2 ，c d m a 蜂窝移动通信系统( c d m ac e l l u l a rm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) t 作在 8 0 0m h z ，c d m a 个人通信系统( c d m ap c ss y s t e m ) r 作在1 8g h z 到2g h z 频段。 1 。2 光纤通信系统 随着i n l e r n e t 业务平多媒体应用的快速发展，网络的业务量正在以指数级的速度迅速膨胀，这就 要求网络必须具有高比特率数据传输能力和火吞吐繁的连接能力。这对通信网络的容鼙米说是一个 巨大的挑战。光纤通信和现行的电缆通信、微波通信相比。有一系列的优越性。主要表现在：频带 宽、通信容量人，传输损耗低，适埘于长途传输，光纤体积小，重量轻安全可靠性好等方面。另 外，光纤的价格很便宜。2 0 0 0 年售价2 5 0 元每芯公里，目前g 6 5 2 光纤的价格仅为1 4 0 元每芯公里， 有的光纤甚至在1 0 0 元每芯公里以1 、 3 】。而光缆的价格，经常只略高丁光纤的价格。相对丁金属 u 第一帝引击 缆，采i 【1 ；| 光纤传输会节约火衬的金属资游。 光纤通信系统的原理框图如1 】所示。扫+ 发送端复接器( m u 】t 训e x e r ) 将n 路低述信号复接成 路高述信号，激光驱动器( l dd r j v e r ) 驱动激光一极管( l d 。l a s e rd i o d e ) 将i 也信号转换为光信号后 通过光纤传输。在接收端，光信号由光电一极管( p d ：p h o t o nd i o d e ) 转化为电信号，微弱的电信号 经过预教人豁( p r e a m p f l f i e r ) f l l 土放人器( m a i na m p l i f i ej ) 放人厉，由时钟恢复电路( c r c ：c o c k r e c o v e r y ) h 数据判决( d d ：d a t ad e c i s i o n ) 电j j l 各分别从中恢复出时钟信号羽l 数据信号，最后由分接器 ( d e m u x ：d e m u l t i p l e x e t ) 把高述信号还原成原始的n 路低速信号。 幽1 1 光纤通信系统原理框幽 对1 ik 距离传输的光纤通信系统，途中需要中继器，其作埘是把经过k 距离传输受到光纤衰 减、畸变后的微弱光信号，放人、牿形、再生成一定强度的光信号，继续送向前方，以保证良好 的通信质量。 随着光纤通信的发展，作为数字光纤传输系统标准的同步数字体系( s y n c h r o n o u sd i g i t a l h i e r a r c h y ，简称s d h ) 得到越来越厂泛的应用，s d h 系统用作干线通信已经成为世界各国发展的 趋势。c c i t t 建议中定义了一系列s d h 的基本传输速率，其中最基本的传输速率为s t m 一1 ，它的 比特率是15 5 5 2 m b s 。更高速率的s t m 。n 信号是通过n 个s t m 1 的字。仃复接获得的。由c c i t t 标准化了的n 值有1 ，4 ，1 6 和6 4 ，它们各自对应的比特率如一f 表1 1 所示。目前，s t m 1 6 级 的s d h 系统已成为我国干线通信的主流，并且朝着s t m 6 4 的速率发展。 表11s d h 系统 s t m 级别对应的比特率精确值对应的比特率简称值 s 丁m 一】l5 55 2 m b s】5 5 m b s s t m 一46 2 20 8 m b s 6 2 2 m b s s t m 一1 62 4 8 8 3 2g b s25 g b l s s t m 一6 49 9 5 3 2 8g b l s1 0 g b s 1 3v c o 在通信系统中的应用 v c o 是牡个通信系统的重要部什。 25 g h zy ：入j 件拧抓荡器蹬h 列射频通信系统来说，不论是发射机还是接收机，信号都要和本振信号混频。本振信号一般由 振荡器、锁相环( p l l ) 或频率综合( f 1 e q u e n c ys y n t h e s i z e r s ) 产生。 在光纤系统里，接收机的一个很重要的电路是时钟恢复( c r c ) 。川丁从数据中提取同步时钟， 以便丁进行数据判狄。常她的有注入同步型和p l l 剩c r c 电路。 v c o 是p l l 雨j 频率综合模块中的重要部什。 1 4 本文工作及组织 本文的主要i ：作是设计注入同步锁相环中的重要模块一注入同步乐控振荡器( s o ) ，h j 丁 s t m 一】6 系统，振荡中心频率2 5 g h z 。论文的纲织按章。例| 瞑序展开。第二章首先介绍振荡器的基本 原理、起振条件等。第三章着重讨论了环形压控振荡器的原理，以及常见的儿种电路结构。第四章 介绍本课题设计的注入式压控振荡器( s o ) 的原理。第五章分析噪声。鉴于当前c m o s ：艺实现高 速电路的诸多优势，最后两章讨论高速电路的一些设计方法，列出关键无源元什的设计细，介绍 芯片完整的电路设计、模拟结果、最终的版图和测试结果。 第一帝振荡器的皋冰原理 2 1 概述 第二章振荡器的基本原理 2 1 1 振荡器的种类 振荡电路可以分成两类【4 】：( 】) 正弦振荡器( 谐波振荡器h a m a o n i co s c i l l a t o r ) ，产生接近正弦 形状的输出波形f 2 ) 多谐振荡器( m u l t i v i b r a t i o n o s c i l l a t o r ) ，电路在两种稳态之问来尉转换，产生 方波或锯齿波形脉冲。 正弦振荡器需要选频网络，选额网络迸常有l c 网络、r c 网络和千i 英晶体( q u a r t zc i y s m l ) 。 多谐振荡器也称张弛振荡嚣( r e l a x a t i o no s c i l l a t o r ) 域充电放电振荡器。这种振荡器 ：作的特点是， 储能元件( 通常是一个电容器) 在电路两个门限屯平之间来同充电和放屯。假设电路保持在一种暂 稳状态，当储能元件上的电位达到个两个门限电平中的某一个值时，电路转换到另一种暂稳状态， 然后储能元件上的电位往相反方向变化，当其到达另一个f - j 限电平时，电路返回原来的暂稳状态， 如此循环不已，形成振荡。张弛振荡器储能元件上的输出波形通常烂线性或指数律变化的锯齿波。 在开关元件两端则输出矩形波。环形振荡器是典型的张弛振荡器。 $ 孑 1 却 占 v c t r l 占 ( a ) 源极耦合多谐振荡器s c o 倒2 1 张弛振荡器 2 1 2 两类振荡器的特点 ( b ) 环形振荡器 ( r e l a x a t i o no s c i l l a t o r ) r 面从实现单片集成振荡器的观点来比较一r 两种振荡器的优缺点。 弦振荡器，特别是l c 振荡器和石英晶体振荡器比起多港振荡器米，有下述优点： ( j ) 较高胸频率稳定度。由t 频率的稳定性主要墩巩丁l c 振荡同路的0 值和品体的质晕 一。45ghz一 2 注入式压控振荡 设计 因此，振荡频率的稳定性对集成电路中有源器件的温度相对地说就不那么敏感。 ( a ) l c 振荡器 ( b ) 晶体振荡器 图2 2 谐波振荡器( h a r m o n i co s c i l l a t o r ) ( 2 ) 较高的振荡频率。正弦振荡器的振荡频率受器件开关延时的影响较小。因为多谐振荡器振 荡状态转换，电容充放电与器件开关动作在时问上是串联的，而正弦振荡器则不完全如此。同样 的晶体管构成放大环节时，l c 调谐正弦振荡器的频率要比多谐振荡器的频率高。 ( 3 ) 较纯的频谱。在l c 调谐振荡器中，由于外接反馈网络的选频特性，输出频谱中相位噪声 或抖动较低。 另一方面，正弦振荡器有下述一些缺点： ( 1 ) 需要价格器贵和体积庞大的外接电路。电感和石英晶体等器件不能集成在芯片上，而必须 装在芯片外。而c m o s 工艺片上无源电感的q 值一般在1 0 左右，得不到足够的性能。而且片上电 感占用芯片面积较大。 ( 2 ) 进行调频时，可能得到的相对频偏范围较小，一般在1 0 到2 0 ( 5 】。而且控制参数和频 偏之间呈非线性关系。因此l c 振荡电路很难通过一次流片就实现所需要的频率。 ( 3 ) 集成的谐振网络参数不易确定。 对于集成振荡器，多谐振荡器有下列优点： ( 1 ) 不需要电感，占用芯片面积小。 ( 2 ) 不需要外接元件，设计制作较简单，电路模拟阶段容易把握。 ( 3 ) 振荡频率通常正比于电流或者电压反比于外接电容的容量。因此，振荡频率可以很容易 通过单一的外接元件来设定。通过控制影响振荡频率的电压或者电流，可以使振荡频率在一个很大 的范罔内随之作线性变化，范围可以丈于5 0 ( 4 ) 可以附加波形形成网络或滤波器将所产生的非正弦波变换成正弦波。 ( 5 ) 在那些产生对称的电路中，存在有两个可获取相位差为9 0 。( 指它们所含的基频j _ e 弦波) 的输出点，即所谓正交输出，这一点对锁相应用特别有用。 5 第二章振荡器的基本原理 然而，出丁多谐振荡器的频率稳定度不高，高频时振荡频率受器件参数、温度以及电源电压变 化等因素的影响较大，故集成振荡频率不能做的太高。 综上所述，比起正弦波振荡器来，多谐振荡器在单片集成时要优越一些，故在通信电路中有j “ 泛的应用。 2 2 振荡器的起振条件 振荡器产生周期信号，可以用反馈理论来分析 6 。如图2 3 所示，作为反馈振荡器，当它刚接 通电源时，振荡电压是不会立即建立的，而必须经历一段振荡电压振幅从无到有逐步增长的过程， 直到进入平衡状态，使振荡电压的振幅和频率维持在相应的平衡值上。此时+ 即使有外界不稳定因 素的影响，振幅和频率仍应稳定在原平衡值附近，而不会产生突变或停止振荡。 茹 卜f ( s ) 悭沪0 1 旦 一+ 图2 3 反馈系统框图 考虑图2 3 反馈系统的传输函数 图2 4 振荡建立的过程 钞= 尚 ( 21 ) 当放大器在高频时产生一个相移，使得整个反馈系统在该频率处的反馈变成正反馈，振荡就会 发生。更精确的说，对于s = 吃h ( j c o o ) = - 1 ，环路在这个频率处的闭环增益趋于无穷。在这个 条件下，环路将把电路本身在蛾处的噪声分量无穷的放大。如图2 4 所示，一个在删。处的噪声分量 经历了单位增益的放大和1 8 0 。相移后，回到减法器的输入端与原输入信号做减法。经过相减后， 产生了一个更大的差值。如此循环往复，环路把这个分量不断的再生、放大直到电路饱和。 耍产生振荡，环路的增益必须要1 。这个要求可由以下分析得出。原始信号在环路中被一次次 的放大，又一次次的回到输入点相减( 获得更大的振幅) 。可以用一个多项式来代表这个过程。 = v o + l h ( j 6 0 0 1 v o + j h ( ，) i + i - ( c o o ) 3 v o + ( 22 ) 6 - 2 5 g h z 注入式箍控振荡器设计 如果i h ( ) i 1 ，如上的多项式和发散。i h ( j c o o ) i 1 时，有 2 嘲v o 。理论上不能形舷荡。 所以，如果一个负反馈电路的环路增益满足两个条件： i h ( j c o o ) l 1 ( 2 3 ) i - l ( j c o o 、= 1 8 0 。( 2 4 ) 那么电路就可能在妙，处产生振荡。这个规则称为巴克好森条件。该条件意味着恰当的选择环路 增益和相移，反馈系统就可以产生振荡。 通常情况下，振荡器的起振条件可以往电路的噪声幅度增加，但当幅度增加到菜一点，放大器 就处于饱和状态，使得环路增益下降。从另一个角度来说，为使电路起振，小信号环路增益要丈于 1 ，当达到稳态时，平均环路增益应等于1 。 值得一提的是巴克好森条件是必要条件，但不充分。如下图电路，ab 将保持在固定电位上， 而非振荡，这种现象称为“闩锁”。所以，首先应该保证对于直流( 频率为o ) 的信号，反馈类型是 负反馈的，这样才能避免闩锁现象的发生，以保证振荡。 图2 5 两极点反馈系统 有些r f 振荡器( 如l c 振荡器) 为了得到稳定频率输出，在环路里加入了选频网络。这种选频 网络一般采用l c 谐振回路。 h ( s ) 选颁霸络 图2 6 附加选频网络的振荡器框图 第二章振荡器的基本原理 2 3 振荡器的波形【7 】 在s d h 系统中，v c o 的输出作为时钟信号。理想的时钟信号要求转换时间( t r a n s i t i o nt i m e ) 要短因此理想的v c o 输出的是方波信号。 住r f 系统中，v c o 的输出作为本振信号提供给混频器。所以振荡器所需要输出的波形，在很 人程度上由混频器的要求所决定。 输入摆幅 同时开启 m 2 和m 3 图2 7 大幅度的正弦信号近似方波 如果l o 的输出不是方波信号，那么m 2 和m 3 在一个周期内有一段时间同时开启。在这段时间 里，两个晶体管都注入沟道噪声到输出端，增大了混频器的噪声系数。因此，要尽量减小m 2 和m 3 同时开启的时间，振荡器理想的波形是方波。但是在实际上，由于电路带宽的限制，电路输出的波 形接近正弦波。如图27 所示，此时需要正弦幅度足够大使得在过零点附近接近方波。 2 4v c o 的数学模型 理想的压控振荡器( v c o ) 产生一个频率为控制电压v c 。的线性函数的周期输出【8 j = 0 2 i r 斗k k 。v f 2 5 1 其中，uf r 表示“自由振荡“频率，k v c o 可以称作v c o 的“增益”( 单位是r a d s v ) 。n f i j 相 位是频率对时间的积分。v c o 的输出可以表示为 y = a c o s ( o ) l 七k m ；p 。d r ) 在实际的v c o 中，k v c o 不会一直呈线性，随着控制电压的增加，k v c o 的值会逐渐减小。 如果v 。【( 驴v 。c o s 。t ，那么输出为 8 一 ( 26 ) 25 g h z 注入式压控振荡器设计 0 ) ：, 4c o s ( 出m f + k l c 。v 。s i n 缈。，r ) ” f 27 1 k v c o ”。称为调制指数其值随着频率u 。的增加而减小。因此v c o 具有抑制加在控制端离频 分量的趋势。 v c o 住i 作时基本处丁非线性一作状态，一般模拟时人多采i l j 瞬态分析，但是考虑输出相, f t l i i 输入控制电压的关系时，v c o 可以视作一线性时不变系统。附加相位等丁 $ 。( ，) = k j 圪。d l ( 28 ) 输入输出转移函数等于型：鱼也 p 。( s ) s ( 2 9 ) 式2 9 揭示了v c o 一个有趣的特性：为了改变输出相位，我们首先改变频率让积分起作用。例 如，假设t 2 时，两个复数极点的实部都为正值，此时 这两个复数极点对应的信号频率的幅度是随时问增加的，也就是振荡产生的过程。忽略s 、的影响， 输出波形可以表示为 = a e x p ( 竽嘲酬竽 p ，) 因此，如果a p 2 ，信号的包络将会按指数律趋于无穷夫。 一3 t o “ x t o j 一3 0 0 蛐j - 3 图3 5a 取不同值时极点的位置【6 】 实际上，随着振荡信号幅度的增加，环路中各级的特性不再是理想的线性，开始呈现出非线性， 并且最终进入饱和状态振荡的幅度稳定在一个固定的值上，不再增加。也可阻说，这一对共轭极 点从振荡最初的矗半平面开始向左移动，并最终稳定在虚轴上，使得振荡幅度保持稳定。 在图3 1 的振荡器基本结构中，假设每级的延时为t ，那么m 级放大器宰成的环形振荡器的昂 火振荡频率应该为1 ( 2 m t ) 。那么，如上分析中的三级环形振荡器的昂大振荡频率就应该是1 ( 6 t ) 。 而刚才的推导可得振荡频率为( & 4 3 ) c o o 2 ，这两个值相等吗? 答案是未必相等。毕竟c o o 只是d 小 1 3 第三牵环形压控振荡器 信号：吠态r 每个共源放人器的输出负载电阻和电容的充放电述度决定的，而t 主要取决于人信号状 态时 r 线性的驱动电流和负载。所以，振荡过程中，频率是随时间变化的。刚开始由丁i 信号比较小， 可以认为是小信号分忻r l 优势，振荡频率的确是( 代j ) d 咕2 ，但振荡幅度变大后，小信号分析就 不再止确了，应该用火信号的观点来看。所以最终的振荡频率应该是i i ( 6 t ) 。通常这个值会相对低 一些。 3 3 环形振荡器的几种增益级【7 j 环形振荡器中的增益级可以有多种实现方式，下图中给出了几种实现方式。为了减小电源和衬 底噪声的影响，通常每单元都采用差分结构。而且由上文分析可知，环路级数可以不必是奇数的。 图3 6 环形振荡器的延迟单元 首先看一下最常用的延迟单元。由于c m o s = i = ：艺不能制作高质量的电阻，所以经常增晶体管做 有源电阻使用。 图3 7 常见的有源负载延迟单元 1 4 25 g h z 注入式i 毛控振荡器设计 3 3 1 大信号特性 如上图，首先考虑该电路的人信号 ：作特性。当i lf 降时，m 3 的栅极和源极之间的电压减小， i l 取很小值鲥，v g 。3 = v 3 ，v 。1 2 v d a v t 8 3 。但实际上，由于弧闽值特性，m 3 管会把v 抬高到v “。 由于v 0 u “h 点上的电容，减慢了v 。1 从v d d v t h 3 变化到v d d 的过稃，如所示，尤其是当电路i 。作频 率较高时，我们仍然认为当i i 取很小值时，v m n i 等丁二v “一v t h 3 。 当输入电压v 。z 增大，v m 儿t 减小，当v m 达最大时，m 3 管流过的电流是i 。由 气= 去胂c 。( 7 w ) ，( 一k 。一f p 知，1 ) 2 ，可以解出 。阱忘 根据以上分析，我们可吼大致得到振荡器输出幅度的范围为 v 。，v ”v 。 3 3 2 小信号增益 剥于环形振荡器来说，它的电路可以等效为下图所示。 图3 ，8 环形振荡器的等效框图 根据起振条件有h g ( j c o o ) 1 即有 h o ( j ( a o ) 1 对了单元电路来说，要求在振荡频率uo 处的增益大于】。 考虑单元电路低频小信号 作情况。对蒡分信号，差分电路可以简化为单端来考虑。 ( 3 - 8 ) f 3 - 9 1 ( 3 一t o ) 图38 单端等效电路 幽中，m 3 管栅极和漏极相连，小信号工作相当于一个电阻。由丁二棚极和漏极处丁：同一屯位 1 5 第三章环形捷控振荡嚣 m ，管始终处于饱和区r 作。m 3 管等效为二极管故在小信号情况下可以等效为电阻。m ，管渊极和 源极之间的等效电阻为( 1 g 。) l l r o - = i g 。 闻此差分信号的增益为 妒 熏 p ，t ， 冈为i d i = i d 3 ，因此上式化简为 小一v匦；tp(w；)3 ( 3 - 1 2 ) wr 见，低频处的电压增益只- bm i 和m 3 的宽氏比的比值有关。要想提高增益，必须减小m ，的 宽长比或增加m 1 的宽氏比。 3 3 3 频率响应 考虑放大器的寄生电容，得到如图3 9 所示的放大器等效电路。 图3 9 放大器的寄生电容 如果忽略管子的沟道凋制效应则m l 管的输出电阻为无穷大。假设m i 工作于饱和区。由7 - c 酣跨接在m i 管的输入输出端之间，所以存在着密勒( m i l l e r ) 效应。近似用低频增益a 。代替放大 级在某频率上的增益，可得在a 点的总电容为c g 。+ c 酣( 1 一a ，) ，在输出端总电容等于c d b + ( 1 一a v i ) c 州。 所以输入和输出极点频率分别等于 i 整个传输函数等于 q 。2 曩( + ( 1 + 篆 1 w 。孓草，l ” 一1 6 - ( 3 1 3 ) ( 3 - 1 4 ) 25 g l q z 注入式压摔振荡器设计 堡盟：一堕 ，( s )g 。， ) ( 1 + 革g i n 3 s ) ( 3 - 1 5 ) 由上式可以看出，当频率增加时，放火器的增益减小：g m i ，g t 的值越人，相同频率下的增益也 越大，而且放大器的截止频率也越大。为保证满足振荡器的起振条件，设计时在振荡频率附近的增 益要大于0d b ，所以必须保证g m 】g i n 3 的值足够火。 3 3 4 延迟的计算 延迟定义为输入和输出达峰值5 0 的转换时间间隔。延迟可以通过对电容充放电的积分米得到 。一c t + ( 2 - v l 2 丽d v ( 3 - 1 6 ) f 是冗取电电冼，v 是加征电答阴电胁，v 1 丰口v 2 是起始利终止电压。要精确计算这个积分是比 较困难的，因为咖) 是关于v 的非线性函数。但是对延迟作一个合理的估计，可以将i ( v ) 用平均电流 i 。代替。冈此，上式简化为 铲型筝业 ( 3 1 7 ) j y 在差分电路里，i a 卢i s 2 ，v 2 v 】2 v s ，h 是单端信号的摆幅。因此t d 表示为 铲警 p 1 8 f ，2 。( 3 环形振荡器的振荡频率等于正2 琢12 趸1 = 上2 n c l v , l 。； r 3 一】9 、 调整f ，就可以调整振荡频率。调接延时的方法主要是改变r c 网络的时间常数，或者改变电流 源电流。例如下髑电路。 t 7 - 蠡 一 第三章环，f 版控振荡器 图3 1 0r c 延迟单元 将控制电压加在m 3 m 4 管栅极，让其处于深线性区，当p k 2 ( 一) ，则有 1 d 以警( 一) ( 3 2 0 ) 则可看出漏极电流是s 的线性函数，这意味着从漏到源的信号通路可以用一个线性电阻来代 替此时m o s 相当于可控的线性电阻。阻值为 如。象2 码高 此时电阻与负载电容的时间常数为 f = r n n 4 q ： 笠 晦( 争纠( 一) c ， ，( 警) 3 “一一i | ) 环路的延时近似与t 成正比。所以有 ，( _ ( 了w ) ”( k 。，一p _ 一i 巧。，i ) oc-；!：一 c l ( 3 - 2 1 ) f 3 2 2 ) f 3 2 3 ) 可以看出，振荡频率工、。与成线性关系。 如果控制电压加在电流源管上，则尾电流i s s 与控制电压成平方律关系。 l 。c 以等( 一) 2 ( 3 _ 2 4 ) 1 8 上 25 g h z 注入式鹾控振荡器设计 由上文中i s s 与，的关系，厂应该与k 。成平方律关系。但实际上，由丁电路在振荡时的非线性 效应与及其它一些寄生效应，仍然与k 。近似呈线性关系。 3 3 5 几种可调延时的方法【6 】 1 用