（信号与信息处理专业论文）双控制回路低相位噪声cmos压控振荡器实现.pdf

中文摘要 中文摘要 近年来，由于无线通信技术的飞速发展，相关领域的集成电路的设计研究也 受到越来越多的关注，片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 成为无线通信领域的焦点。 所以，随着对高集成度应用兴趣的增加，全集成、片上压控振荡器( v c o ： v o l t a g e - c o n t r o l l e do s c i l l a t o r ) 和频率综合器设计的需求也日益增大。基于延时单元 的压控振荡器( 环形振荡器) 已被成功应用于许多方面，但是热噪声引入的时域 抖动和相位噪声限制了它在许多系统中的应用。特别是被应用于无线通信接收机 中的频率综合器，对其中的振荡器相位噪声有严格的限制，但同时又受益于其高 度的集成化解决方案。 本文对压控环形振荡器的基本理论和具体电路的实现进行了研究。以阻性负 载的共源差分对为基本延时单元来讨论晶体管中的热噪声对振荡器时域抖动和相 位噪声的影响，同时分析了延时单元设计参数与热噪声引起的时域抖动的关系， 这关系将被应用到设计低时域抖动和低相位噪声的压控振荡器中。在集成锁相 环中，压控振荡器的输出频率范围要能随所有工艺和工作条件的变化而覆盖所需 的频率范围，以增大压控振荡器增益( k v c o ) 而实现宽调协范围会增加压控振荡 器和锁相环的相位噪声。所以，本文将采用双回路控制方法来实现低的压控振荡 器增益。除此之外，压控振荡器的中心频率会随电源电压和温度的改变而发生变 化。因此，设计一个能抵制这些频率变化且可以覆盖整个频率范围的压控振荡器 至关重要，这将通过各个偏置电路来实现。最后，本设计采用j a z zo 3 5 朋 b i c m o s 工艺实现了流片。 关键词：压控振荡器，相位噪声，锁相环 a b s 仃a c t a b s t r a c t b e c a u s eo ft h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h e d e s i g na n dr e s e a r c ho ft h ei n t e g r a t e dc i r c u i t si nt h er e l a t e df i e l dh a sg a i n e dm o r ea n d m o r ea t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r s ，s y s t e mo nc h i p ( s o c ) h a sb e c o m et h em a i nf o c u so f t h e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na r e a s s o ，w i t ht h e g r o w i n g i n t e r e s ti n h i g h - i n t e g r a t i o n i m p l e m e n t a t i o n st h e r eh a sb e e na l li n c r e a s i n gd e m a n df o rf u l l y - m o n o l i t h i c ，o n - c h i p v c oa n ds y n t h e s i z e rd e s i g n s d e l a yc e l lb a s e dv c o s ( r i n g - o s c i l l a t o r s ) h a v eb e e nu s e d s u c c e s s f u l l yi nm a n ya p p l i c a t i o n s ，b u tt h e r m a l - n o i s ei n d u c e dl i m i n gj i t t e ra n dp h a s e n o i s eh a sl i m i t e dt h e i ra p p l i c a b i l i t yt os o m es y s t e m s o fp a r t i c u l a ri n t e r e s ta r e f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r s ，u s e di n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st r a n s c e i v e r s ，w h i c hh a v e s t r i n g e n tr e q u i r e m e n t so no s c i l l a t o rp h a s en o i s eb u ts t a n dt ob e n e f i tf r o mah i g h l y i n t e g r a t e ds o l u t i o n i nt h i st h e s i st h ef u n d a m e n t a lt h e o r yo fr i n go s c i l l a t o rv c o sa n dp r a c t i c ec i r c u i t d e s i g na r ei n v e s t i g a t e d t h ee f f e c t so ft h e r m a ln o i s ei nt r a n s i s t o r so nt i m i n gj i t t e ra n d p h a s en o i s eo fs o u r c ec o u p l e dd i f f e r e n t i a lr e s i s t i v e l y - l o a d e dc m o sd e l a yc e l l i s e x p l o r e d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nd e l a ye l e m e n td e s i g np a r a m e t e r sa n dt h et h e r m a l n o i s e - i n d u c e dj i t t e ra r ea n a l y z e da n di m p l i c a t et h i s a n a l y s i s f o rt h ed e s i g no f l o w - t h n i n g - j i t t e ra n dl o w - p h a s e - n o i s ev c o s i nf u l li n t e g r a t e dp l l s ，t h ev c o so u t p u t f r e q u e n c ys h o u l db et u n b l eo v e raw i d er a n g eo ff r e q u e n c i e s f o ra l l t h ep r o c e s s v a r i a t i o na n dw o r kc o n d i t i o n s t h i sr a n g er e a l i z e db ym a k i n gt h ev c o sg a i nk v c o l a r g eh a st h eu n w a n t e de f f e c to fi n c r e a s i n gt h ep h a s en o i s ea tt h eo u t p u to fv c o ，a n d h e n c eo f t h ep l la sw e l l s o b yu s i n gt h et w oc o n t r o ll o o p st om a k eal o wv c o g a i n i n a d d i t i o n , t h ec e n t e rf r e q u e n c yo fav c oc a nv a r yw i t hc h a n g e si nt h ep o w e rs u p p l y , t e m p e r a t u r e d e s i g n i n gav c o w h i c hi sr e s i s t a n tt od r i f ta n dh a sa na m p l et u n i n gr a n g e t oc o v e rt h e s ev a r i a t i o n sa r ev e r yi m p o r t a n t , t h i sw i l lb ei m p l e m e n tw i t hs o m eb i a s c i r c u i t s a t l a s t ，t h i s d e s i g n h a s b e e n t a p o u t w i t hj a z z 0 3 5 t m b i c m o s p r o c e s s k e y w o r d s ：v o l t a g e - c o n t r o l l e do s c i l l a t o r , p h a s en o i s e , p l l 图目录 图目录 图2 1 环形振荡器原理图5 图2 - 2 ( a ) 反馈系统反馈振荡器6 图2 3b a r k h a u s e n 原理波特图8 图2 - 4 一级延时单元1 0 图2 5 两级延时单元级联1 0 图2 6 三级延时单元级联1 1 图2 - 7 三级环形振荡器的线性模型1 4 图2 8 三级环形振荡器不同增益值时的极点1 4 图3 一l 差分结构电源与衬底噪声示意1 7 图3 2m o s 晶体管噪声模型1 8 图3 3 振荡器功率谱2 0 图3 4 相位噪声功率谱密度2 l 图3 - 5 周期周期抖动图2 1 图3 - 6 差分延时单元2 2 图3 7 差分结构环形振荡器2 2 图3 8 含有m o s 晶体管热噪声差分延迟级电路。2 3 图3 - 9 差分延时级的噪声等效电路2 4 图4 - 1c a d e n c e 环境下模拟集成电路设计流程2 7 图4 2n m o s 器件结构2 8 图4 3n m o s 简化图2 8 图4 4n m o s 小信号模型3 0 图4 5 三级差分压控环形振荡器31 图4 - 6 ( a ) 确定巧的简单反馈电路( b ) 简单的复制偏置电路 图4 7 电压参考源电路 图4 - 8 电流参考源电路 图4 - 9 复制偏置电路。 图4 1 0 电流偏置电路 图4 1 l 典型锁相环结构 图4 1 2 双回路控制压控振荡器 图4 1 3 宽输出频率小增益实现方法 图4 - 1 4 双回路控制延时单元结构 图4 1 5d a c 控制电流参考源 图4 1 6 负载管宽长比测试电路 图5 1 振荡器输出频率范围 图5 - 25 2 5 m h z 1 0 0 k 相位噪声。 一v 3 1 ”硒钉仉铊甜钙钙的 图目录 图5 3 压控振荡器增益。 图5 - 4 偏置电流随温度变化曲线。 图5 5 偏置电流随电压变化曲线 图5 - 6n o r m a l - n o r m a l ，2 7 度，3 3 v 电压 图5 7f a s t - f a s t ，一4 0 度，3 6 v 电压 图5 - 8s l o w s l o w , 1 2 5 度。3 v 电压 图5 - 9 版图设计基本流程 图5 1 0 电流参考源版图。 图5 1 1 共中心布局 4 9 5 ( 1 5 0 5 l ：；l 5 2 ! ；：! 5 4 5 4 图5 1 2 电压参考源版图5 5 图5 - 1 3 电阻的匹配 图5 1 4 压控振荡器整体版图 表目录 5 5 5 7 表2 - 1r c 振荡器与l c 振荡器比较5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构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论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名_兰亟日期：乃。7 年占月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：靼 日期：力刁年多月j e l 第一章绪论 第一章绪论 1 1振荡器历史回顾及发展趋势 振荡器( o s c i l l a t o r ) 是一种不需要外加信号激励而能自动将直流能量变换为 周期性交变能量的装置。自从e d w i na r m s t r o n g 在1 9 1 2 年提出外差原理以来，压 控振荡器的技术经历了真空管振荡器、晶体管振荡器、振荡器模块和片上振荡器 几个阶段【1 】。r o b e rv l h a r t l e y 利用真空管技术的进步，在他发明的振荡电路中将 真空管作为放大器使用，并用电感反馈产生了一个再生振荡。这个技术是正弦信 号发生技术的一项突破，它具有比以往更大的频率范围，只需要简单的改变线圈 电感或是电容值就能改变频率。真空管时代发明的优秀电路拓扑结构直到今天仍 然在使用，如h a r t l e y 、c o l p i t t s 、c l a p p 、a r m s t r o n g 和p i e r c e 等结构。 在a r m s t r o n g 超外差接收机理论中，由于输入信号频率是可变的，为了得到恒 定的中频信号，振荡器的频率也必须随输入信号频率改变。真空管时代的可变电 容采用的是多金属空气间隙电容，电感是绕线电感，它们不仅体积庞大、造价昂 贵而且需要很高的电源电压。6 0 年代，晶体管取代真空管应用在振荡器中，极大 的改变了振荡器的实现技术。而振荡频率的调节方式也由机械改变金属电容和绕 线电感变为改变变容二极管的值。变容二极管对频率源信号精确的电子控制在锁 相环电路发展中的重要作用是不可估量的。随着变容二极管、电容和电感体积的 缩小，以模块的形式实现v c o 成为可能。v c o 模块本质就是一个建立在一块衬 底上并安装在金属外壳内的分立元件振荡器的微缩版本。模块是独立的，它只需 要外接地、电源、调协电压和输出负载。尽管分立元件v c o 能够为任何频率和调 协范围单独设计，它们一般需要大量的劳动对频率设置元件进行调整以补偿元件 一致性差的缺点。除此之外，分立v c o 需要良好的屏蔽以减小辐射和牵引效应。 然而，9 0 年代出现了一种体积更小成本更低的v c o 技术单片i c v c o 技 术。单片i c v c o 技术是将所需的电路元件，包括晶体管、电容、电阻、电感和变 容二极管都集成到一块芯片上的一种v c o 实现技术。这些器件经过配置组成一个 完整的v c o ，外部只需要连接电源、地、输出、调谐输入和数字控制线。事实证 明它具有非常小的体积和低廉的成本，而且它可以用实现射频收发机其它功能单 元相同的工艺制作，这意味着v c o 可以和其它的r f 模块集成在一起，这大大降 电子科技大学硕士学位论文 低了成本。目前单片i c v c o 已经成为v c o 的主流实现方案，然而，相位噪声性 能目前仍然不能满足更高数据速率的移动电话系统( 如g s m ，i s 1 3 6 和c d m a 等) 的要求。电感的低q 值和过量的偏置噪声限制了v c o 相位噪声的降低。尽管一些 研究者展示的使用焊线电感获得的结果是具有前途和希望的，实现低相位噪声仍 然很困难并且超出目前单片v c oi c 技术能力。所以，未来技术的发展仍然是如何 在改进工艺的条件下提高单片v c oi c 的相位噪声和输出频率范围。 1 2 研究背景及意义 在通信、电子、航海航空航天及医学等领域，振荡器扮演着重要的角色，具 有广泛的用途。尤其在通信系统电路中，压控振荡器( v c o ) 是其关键部件，特别是 在锁相环电路、时钟恢复电路和频率综合器电路等更是重中之重，可以毫不夸张 地说在电子通信技术领域，v c o 几乎与电流源和运放具有同等重要地位。随着通 信领域的不断向前推进，终端产品越来越要求轻、薄、短、小，越来越要求低成 本、高性能、大批量生产，这对于先前的分离元件组合模式将不再胜任，并提出 新的要求和挑战。集成电路各项技术的发展迎合了这些要求，特别是主流c m o s 工艺提供以上要求的解决方案，单片集成振荡器的研制取得了极大的进步。 然而我国集成电路的发展与国外有着较大的差距。仅限于对国外电路进行在 引进和版图改进，还没有达到质的跨越，没有自主的知识产权( 口) 。而且我国多数 仍然利用传统的双极工艺，致使产品在体积上、重量上、成本上都较大，各种参 数性能不够优越，稳定性差、难以和现代主流c m o s 工艺集成等等都是我国相关 领域发展的瓶颈。这些方面引起了国家高度重视，根据国家中长期科学技术发 展规划纲要( 2 0 0 6 - 2 0 2 0 ) ，信息产业部和科技部共同制定了我国信息产业拥有 自主知识产权的关键技术和重要产品目录：在十三个重点发展领域中，集成电路 的发展排在第一位，所以对集成电路的研究将具有非常现实和长远的重要战略意 义。 1 3国内外研究状况 国外对集成v c o 的研究较为成熟并处于绝对的领先地位。研究的单位主要是 高校( 如u c b e r k e l e y 和s t a n f o r d 等大学) 和公司( 如t i ，m o t o r o l a ，a d ) ，他们不 管是在学术方面还是在产品化方面都做得相当出色。其研究的重点集中在v c o 的 2 第一章绪论 低相位噪声、宽频率调协范围、和高线性度方面，也有不少相关文献的报道【2 8 】： 如d yj e o n g 等人1 3 】在1 9 9 7 年应用环形结构得到频率范围在2 5 0 m h z 一 1 6 9 g h z ，相位噪声0 7 9 d b c h z 的v c o ，具有较大的调谐范围：c h p a r k 等人【4 】1 9 9 9 年研制出7 5 0 m h - - 1 2 g h z 、相位噪声为1 1 7 d b c h z 6 0 0 k h z 的v c o ，具有较低 的相噪性能：2 0 0 1 年w s t y a n 5 等人利用环形结构得到性能较好的压控振荡器， 具有结构简单、相噪较低等特点。在商用方面如a d 公司开发的a d 6 5 0 系列近来 开始投入使用。 在国内，从文献上来看可以做到如下指标：孙铁等人r 7 】在2 0 0 5 年做到的频率 范围为8 1 m h z - - 1 5 3 g h z 的双环差分结构压控环形振荡器，具有较宽的振荡频率 调协范围：张涛等人【8 】在2 0 0 4 年做到振荡频率为5 6 5 m ，相位噪声为 1 0 s d b c h z 6 0 0 k h z 的双环结构反相器压控环形振荡器。而企业方面，重要集中 在大的通信厂商，如华为、中兴、大唐和炬力等等，他们都有较优性能的产品。 1 4 本文的主要研究内容 本文的设计目标是一个低压控振荡器增益( f 氐于4 0 m h z v ) ，低相位噪声( 低于 8 5 d b c h z 1 0 0 k h z ) ，频率范围高于1 5 0 m h z 的压控振荡器。所以，首先根据指标 特点对两类振荡器；l c 振荡器和压控环形振荡器比较并从中选择一个类型。在综 合各种因素后选择压控环形振荡器并以此为基础展开本文的设计，其具体内容如 下： 1 比较了两类不同类型振荡器的优缺点和指标，同时较为详细地分析了环形 振荡器的基本工作原理。 2 详细讨论了压控振荡器最重要的指标：相位噪声和时域抖动。并且以共源 差分对为延时单元( 本设计就采用此结构) 具体分析并给出了相位噪声和时域抖 动与延时单元中器件的参数关系。这样的有的放矢对最后实现低相位噪声振荡器 提供了具体指导方向。 3 本文不但设计了基本的压控环形振荡器，还设计了多个偏置电路以保证压 控环形振荡器的振荡频率受电源电压和温度变化影响较小。 4 为了实现低压控振荡器增益( k v c 。) ，采用了国内鲜有的双回路压控振荡器 结构。不但实现了低压控振荡器增益，而且在不同类型的压控振荡器结构方面有 一定的探索意义。 3 电子科技大学硕士学位论文 2 1 整体概述 第二章振荡器基本工作原理 振荡器是通过自激方式把直流电能变换为交流电能的一种电子线路。振荡电 路可以分成两类：( 1 ) 正弦振荡器，产生正弦形状的输出波形或接近理想正弦波 形的振荡器，它又称为谐波振荡器( h a r m o n i co s c i l l a t o r ) ；( 2 ) 多谐振荡器 ( m u l t i v i b r a t i o no s c i l l a t o r ) 是因为电路在两种稳态之间来回转换，产生方波或锯齿波 形脉冲。 正弦振荡器需要选频网络，选频网络通常有l c 网络、r c 网络，所以，根据 选频网络名称的不同，我们又称正弦振荡器为l c 振荡器或r c 振荡器。多谐振荡 器也称张弛振荡器( r e l a x a t i o no s c i l l a t o r ) 或充电放电振荡器，是利用储能元件( 通 常是一个电容器) 在电路两个门限电平之间来回充电和放电形成稳定的振荡波形。 正弦振荡器，特别是其中的l c 振荡器比起多谐振荡器，具有以下优点嘲： ( 1 ) 较高的频率稳定度。由于频率的稳定性主要取决于l c 振荡回路的q 值 和晶体的质量，因此，振荡频率的稳定性相对于集成电路中的有源器件对温度来 说就不那么敏感。 ( 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间上是串联的， 而正弦振荡器则不完全如此。同样特征频率厶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，一般为几个g h z ，而用先进工艺实 现的l c 振荡器的中心频率可高达四十个g h z 。 ( 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。 但是作为全集成的单片芯片系统而言，l c 正弦振荡器的电感在集成电路上很 难制作，而且用c m o s 工艺实现的电感的q 值通常不到l o ，所占用的芯片面积也 大，并且调谐范围小，控制参数和频偏之间呈非线性关系，使得l c 振荡电路很难 通过一次流片就实现所需要的频掣9 】【l o 】。 r c 振荡器具有芯片面积小，调谐范围宽，线性度好，无需外接元件，设计制 作较简单等优点。虽然相位噪声比l c 型振荡器要高，但如果选择好的电路结构， 4 第二章振荡器基本原理 精心设计，也可以取得较好的相位噪声性能，因此r c 振荡器在实际中得到了广泛 的应用。 表2 - 1 是对r c 类型振荡器和l c 类型振荡器的几方面的比较。如同上面分析 的一样，l c 振荡器具有振荡频率高，相位噪声低的特点，但芯片面积较大；而 r c 振荡器具有振荡频率范围宽，芯片面积小的特点，但相位噪声较高。所以，对 于振荡器类型的选择，是基于设计的指标要求而定的。由于本次设计的振荡频率 不是太高，选择r c 类型振荡器，如果电路精心设计相位噪声是可以满足要求的， 更长远看l c 振荡器与主流c m o s 工艺不兼容，所以选择r c 类型振荡器结构。 表2 1r c 振荡器与l c 振荡器比较 相位噪声 电压频率范围 ( d b c h z 面积 设计者类型 ( v )( m h z )6 0 0 k h z )( u m 2 ) d y j e o n g 3 】 r c5 02 5 0 - - 1 6 9 0 - 7 91 1 0 x 1 2 5 m 1 h a m s 埘a n u n t 叭】r c5 03 2 0 一9 2 6- 9 98 4 5 0 j c r a n i i l c k x 1 z )l c 1 5 1 6 2 0 一1 8 8 0 1 1 77 5 0 7 5 0 n m n g u y e n 1 3 】 l c5 o1 6 8 0 1 8 6 01 0 43 1 5 x 6 7 0 2 2反馈振荡器的基本原理 前面讨论的r c 振荡器就是一个反馈类型振荡器，因为r c 振荡器是把多个相 同的延时单元串接为一个环形闭合回路，所以一般称r c 振荡器为环形振荡器，其 示意图如下： 图2 i 环形振荡器原理图 反馈类型的环形振荡器是不需要任何输入装置的，而是靠本身内部的各类噪 声激励建立起稳定振荡。从能量的角度来看，其原理是通过自激方式把直流电能 变换为特定频率和幅度的正弦交变能量的电路。 5 电子科技大学硕士学位论文 一个简单的振荡器产生周期性的、通常是电压形式的输出，同时电路在持续 不断地输出时并不需要存在输入。那么怎样才会使其振荡? 我们知道负反馈系统 可能产生振荡，如图图2 - 2 ( a ) 所示的单位增益负反馈电路。 其中由反馈的表达式可知： 骐：盟 ( 2 1 ) ( s ) 1 + h c s ) 。 如果放大器本身的输出在高频时相移太大而使整个反馈成了正反馈，那么就 会产生振荡。更准确地说当s = j w o 时，h 0 w o ) = 一l 。那么在w o 处闭环增益趋于无穷 大。再经过加法器电路将产生持续“再生”，从而电路自身的噪声会无限地放大而 达到振荡，不需要外界的输入，即自激振荡原理产生振荡电路。 反馈网络 ( b ) v 0 图2 2 ( a ) 反馈系统( b ) 反馈振荡器 图2 - 2 ( b ) 所示即为反馈振荡器的原理框图，反馈振荡器主要包含有基本放大 器、选频网络、反馈网络三个基本部分组成。基本放大器和选频网络两部分组成 了谐振放大器，是反馈振荡器的主网络。图2 - 2 c o ) 的闭环回路从上电启动到产生等 幅持续振荡输出稳定的波形，成为反馈振荡器，必需满足的条件是：保证接通电源 后从无到有地建立起振荡条件：保证进入平衡状态后维持等幅持续振荡的平衡条件； 保证平衡状态不因外界不稳定因素影响而破坏的稳定条件。下面分别讨论平衡条 件、起振条件和稳幅条件【14 1 。 2 2 2平衡条件 设基本放大器和选频网络的总增益为 6 第二章振荡器基本原理 a ：显= a e ，n( 2 2 ) q 式( 2 - 2 ) 中a 为增益的模，伊。为输出信号v o 与输入信号v 的相位差。 当把图2 - 2 ( b ) 开关闭合后，输出信号v o 通过反馈环路重新接入到输出端。设 该反馈网络的输出信号为v f ，则v f 与v o 之比称为反馈系数，用f 表示，即 帝：旦：屁协( 2 - 3 ) 式( 2 3 ) 中，f 为反馈系数的模，吩是反馈信号v f 与选频网络输出信号k 的相位 差，即反馈网络引起的相位移。 设环路增益t ( _ ，功；旦，则 t ( j e o ) ：v o 兰i ：a f ：肌，( 即+ n ( 2 4 ) 鬈吁 若在某一频率上( 设此频率为( - 0 ) ，满足t ( j n o ) = i ，即 t ( _ ，功= a f e “即+ “= 1 ( 2 - 5 ) 此时v ；= v f ，也就是说输入信号v ；与反馈信号v f 相位和幅度完全相同，这在电路 上是很容易实现的，只要将图2 2 中的开关闭合就可以了。主要网络将维持角频率 为甜的输出振荡信号，而所需的输入信号v ；全部由反馈信号来提供，无需任 何的外加输入信号，即为我们所说的从选频放大过程到维持自激振荡过程的过渡。 因而式( 2 - 5 ) 是维持振荡器输出等幅持续振荡的平衡条件。 将式( 2 5 ) 改写成： t ( j e o ) = a f = 1( 2 6 ) 伊( 国) = 妒( 4 ) + 妒= 2 n z r( n = o ，1 ，2 ，) ( 2 7 ) 其中，式( 2 6 ) 我们称为振幅平衡条件，即环路增益t ( j o o ) ( 也称为主网络与反馈网 络增益积a f ) 等于1 时，从反馈网络输出的信号数值刚好符合基本放大器对输入 信号的要求，故振荡可以维持不变；式( 2 忉称为相位平衡条件，它说明如果包括选 频网络在内的放大器( 即主网络) 的相位移与反馈网络引起相位移之和等于2 石的整 数倍时，反馈信号与放大器要求的输入信号相位相同，因而形成正反馈。 7 电子科技大学硕士学位论文 2 2 3 起振条件 在电路上电后，电路中的各部分必定存在扰动，这些扰动是接通电源瞬间引 起的电流突变过程或者是电路元件和回路中的固有噪声，这种扰动往往是非周期 性的，他们都具有很宽的频谱。由于选频作用，其中只有角频率为的分量( 此分 量近似等于回路的谐振角频率c o o ) 在主网络输出端产生较大的电压，通过反馈网络 再加到放大器的输入端，如果该电压与放大器原输入电压相同，并具有更大的振 幅，直至平衡值。因此振荡器接通电源后要使扰动从小到大建立振荡的过程，其 振荡条件是式( 2 4 ) 的环路增益要大于1 ，即 t ( c o ) 1( 2 - 8 ) 妒( 缈) = 妒( 口) + f o ( f ) = 2 n ：r( n = o ，1 ，2 ，) ( 2 9 ) 上式为反馈振荡器的起振条件，其中式( 2 8 ) 称为振幅起振条件，在实际应用中， 由于存在温度和工艺变化的情况下为了确保振荡，典型地我们将选择环路增益至 少两倍或三倍于所要求的值；式( 2 9 ) 称为相位起振条件。我们把式( 2 _ 8 ) 、( 2 - 9 ) 称为 b a r l d a a u s e n sc r i t e r i a ( i m , 克豪森准则1 【1 5 】，图2 3 是其波特图。 m 佃) ( s c a l e ) 图2 3b a r k h a u s e n 原理波特图 2 2 4稳幅条件 振荡器除了满足起振条件和平衡条件外，还必须满足稳定条件。在振荡器由 起振逐渐过渡到平衡状态工作后，实际振荡器电路不可避免地受到电源电压、温 8 第二章振荡器基本原理 度、湿度等外界因素变化的干扰和电路元件内部本身固有噪声的影响，这些影响 都将引起t ) 和妒( 田) 的起伏变化，从而破坏平衡条件。在平衡状态被破坏后，振 荡器的工作状态有变化趋势：一种是经振荡器电路中的放大和反馈两个环节，电 路中的状态量( 如电压和电流) 偏离原来的平衡点越来越远，当达到新的平衡点时， 新平衡点偏离原来的平衡点很远，e p , j , 干扰造成大的状态转移，而且即使这时取 消干扰信号，也无法恢复到原来平衡点；另一种是经过放大和反馈两个环节振荡 器在原平衡点附近达到新的平衡点。显然振荡器正常工作时的平衡状态应具有第 二种变化趋势，此时我们说振荡器是稳定的，即满足：第一，受到小干扰( 不止是 电信号的干扰，也包括工作条件，如偏压、温度、湿度等的改变) 后能够在原平衡 点附近达到新的平衡；第二，当干扰因素消失后能恢复到原平衡点工作。所以为了 产生等幅持续振荡，振荡器还必须满足稳定条件，保证所处平衡状态是稳定的。 在平衡状态时，有源器件处于大信号工作状态，环路增益t 不但是频率的函 数，也是信号幅度v 的函数，因此t = t ( 以，国) = t ( ) = t ( v ，c _ o ) e x p ( j f o ( c _ o ) ) 。当 干扰导致信号幅度v 变化时，t ( 以，国) 也随之变化。若v 增大时，t ( 矿，国) 也增 大，大于平衡时的值1 ，那么经过放大和反馈，v 就迸一步放大，以致离开平衡点 越来越远；反之，若t ( 以_ ，) 随v 的增大而减小，那么经过放大和反馈，v 就会减 小，产生回到平衡点的趋势。同样，若t ( l ，m ) 随v 的减小而增大，电路也将产 生回到平衡点的趋势。另外，在受到干扰时，应保持不变。上述要求在数学上可 表示为： 塑f ! ! 到 2 时使两个复数极点都有正的实数部分，从而使正弦信号变大。因为焉是衰减项，忽 略其影响的话，可以得到输出波形为： - 1 3 电子科技大学硕士学位论文 v o ( f ) = 唧( 垒州c o s ( 学州 ( 2 - 2 6 ) 一a 。3 ( 1 + 三) 3 o 广一一一一一一一一一一一一一一一一 图2 - 7 三级环形振荡器的线性模型 其中a 为振荡幅度。所以如果a 。，2 时，上式的指数项将趋于无穷大。这和稳幅条 件似乎矛盾，实际上，随着振荡幅度的增大，信号通道上的各增益级电路( 由m o s 管组成) 会经历由非线性工作状态到“饱和”工作状态的转变，限制了最大振幅。 如图2 8 所示，如果极点开始在右半平面而最终转移到虚轴，使信号停止放大。如 果整个环路增益一开始大于1 ，则在起振放大后由于电路本身具有内稳幅的原因使 环路增益依然回到1 ，这样自然就满足了振荡条件中的稳幅条件和平衡条件。 1i x - - 3 0 。 盯 x i x l 一抽 _ r 盯 _ 1 i l 。- 枫 r 盯 0 a 。 2 2 4 本章小结 图2 8 三级环形振荡器不同增益值时的极点 本章介绍了反馈振荡器的基本原理及讨论了平衡条件、起振条件和稳幅条 1 4 。 第二章振荡器基本原理 件，并且把这一原理具体应用到以共源放大器为延时单元的环形振荡器中，得到 y d , 信号振荡频率和起振增益公式。由于环形振荡器本身是非线性电路，最后讨 论大信号振荡频率和电路的限幅原理。 1 5 电子科技大学硕士学位论文 第三章振荡器的噪声分析 3 1振荡器噪声分类 噪声对v c 0 电路来说具有特殊的意义，一方面振荡器依靠电路内部的噪声激 励产生振荡：另一方面振荡器进入稳态后，噪声影响输出频谱的纯度，产生相位噪 声。在振荡器中噪声的来源主要有三种【朋，电路中各种有源和无源器件的热噪声 ( t h e r m a ln o i s e ) ，m o s 场效应管的闪烁噪声( f l i c k e rn o i s e ) 和电源和衬底的噪声 ( s u p p l ya n ds u b s t r a t en o i s e ) 。 3 1 1 热噪声( t h e r m a ln o i s e ) 热噪声的产生机制与冲击噪声完全不同。在一般电阻中，它由电子的随机热 运动引起，并不受直流电流的影响。这是因为导体中典型的电子移动速度远低于 电子热运动速度。尽管导体中电子的随机热运动平均电流为零，但会引起两端的 电压波动。噪声源是电子热运动引起的，所以它与绝对温度t 有关。绝对温度t 趋近于零，热噪声也趋近于零。电阻r 的热噪声功率谱为： v 2 = 4 k 豫鲈( 3 1 ) 其中k 是波尔兹曼常数。显然热噪声也是白噪声，热噪声的幅度分布属于高斯分 布。 热噪声通常是和电阻相联系的。也就是说任何物理上的阻性成分都会产生热 噪声，而容性或感性成分则不会产生热噪声。 因为冲击噪声和热噪声都有平坦的频谱和高斯幅度分布，所以当它们在一个 电路中产生时是无法区分开的。 3 1 2 冲击噪声( s h o tn o i s e ) 冲击噪声又叫散粒噪声、散射噪声。它总是与直流流动联系在一起的，它出 现在二极管，m o s 晶体管和双极性晶体管中。散射噪声的产生要满足两个条件： 有电流流过和在电流流动的方向上存在势垒阻挡电流的流动。显然由于不存在势 垒，一般的线性电阻不会产生散射噪声。主是一些非线性器件，例如p - n 结，产生 冲击噪声。 - 1 6 - 第三章振荡器的噪声分析 冲击噪声的噪声电流均方根为： f 2 = 2 q 毛a f ( 3 2 ) 其中，。是随机电流脉冲的平均值，q 是电子电荷量，是带宽。可以看出噪声电 流功率谱密度( f 2 a f ) 是频率的常数，所以冲击噪声是白噪声。这一特性是由于电 子通过势垒到达时间的随机性造成的。冲击噪声的幅度服从高斯分布。 3 1 3 闪烁噪声( f l i c k e rn o i s e ) 闪烁噪声的来源依然还在研究中。由于闪烁噪声的频谱密度与频率成反比， 所以又称为圹噪声。由于闪烁噪声的产生机理没有统一的解释，所以闪烁噪声模 型包含的经验参数比热噪声和散粒噪声多。目前，主要有两种模型解释闪烁噪声 的来源：载流子数目波动模型和迁移率波动模型。第一种模型中，闪烁噪声来源 于载流子的随机俘获和释放，例如在m o s f e t 的硅一二氧化硅界面的陷阱中。电 荷的波动导致表面电势的波动，进而影响沟道载流子密度。第二种模型依赖于一 种经验的假说，即认为闪烁噪声是由体迁移率沟道中载流子数目和的波动引起。 这一现象与其他一些未知的原因引起m o s 管中的闪烁噪声。m o s 管的闪烁噪声比 双极性晶体管的闪烁噪声高得多，这主要是因为m o s 管是一种表面器件，大尺寸 的m o s 管呈现更小的闪烁噪声，因为大的栅氧化层电容平缓了沟道电荷的波动。 m o s 管闪烁噪声电压表达式大致为： 一1 , 2 m 顶k 7 1 ( 3 - 3 )c 鄹 j 其中k 是取决于工艺的常数。通常认为p m o s 晶体管的扩噪声要比n m o s 晶体 管的小，因为p m o s 采用了埋沟结构。 3 i 4 电源与衬底噪声 图3 - i 差分结构电源与衬底噪声示意 1 7 电子科技大学硕士学位论文 虽然采用全差分结构环形振荡器相对于单端结构环形振荡器能较大提高对电 源与衬底噪声的抑制能力，但还是会受到电源和衬底噪声的干扰。如图3 1 所示。 有两种效应造成了这种影响：( 1 ) 器件的不匹配降低了电路的对称性。实际的差 分电路不可能做到完全对称，因此电路对电源和衬底噪声引起的共模噪声抑制不 是很理想；( 2 ) 差分对共源端的总电容( 即m 1 、m 2 的源极结电容和与尾电流源 相关的电容) 将电源和衬底噪声转变为电流，调制了延时单元的延迟。 3 2m o s 晶体管噪声模型 m o s 晶体管噪声模型对压控振荡器的相位噪声的推导起基础作用。图3 2 为 完整的m o s 晶体管噪声模型图，从图中可以看到噪声源分为两部分：一个是栅噪 声i ，另一个是漏极电流噪声i 。 栅 漏 图3 - 2m o s 晶体管噪声模型 栅噪声也是沟道电荷热激励的结果。波动的沟道电势通过电容耦合到栅端， 引起栅噪声电流。尽管这一电流在低频时可以忽略，但在射频时它可能占主要地 位。a v a nd e r z i e l 证明了栅噪声可以表示成【1 8 】： s = 4 k f 6 9 9 群0 一q 其中，参数岛为 岛= 番 p s ， v a n d c r z i e l 指出长沟道器件中栅噪声系数j 的值为 漏极电流噪声石是由两部分组成：一个是由于沟道电阻的存在引起的热电流 噪声；另一个为沟道的肜电流噪声所以有： 1 8 第三章振荡器的噪声分析 i d 2 = 4 k t ) g d 。矽+ 拿矗。可( 3 - 6 ) 其中，岛。是v 淼为零时的漏一源电导。参数，在v 。为零时的值是1 ，并且在长沟道 中饱和时，减小到2 3 。而且对于长沟道器件，v d 。= o 时的。等于饱和区的岛， 所以m o s