基于電流折疊技術(shù)的CMOS全差分VCO設(shè)計(jì)

?? 針對(duì)目前通信系統(tǒng)應(yīng)用上對(duì)壓控振蕩器的片上集成、寬調(diào)諧、調(diào)幅、啟動(dòng)特性和功耗等提出的綜合性要求，分析和設(shè)計(jì)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(dòng)時(shí)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(duì)；自動(dòng)振幅控制；全差分壓控振蕩器

??? 射頻振蕩器是儀器儀表、自動(dòng)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(shí)鐘恢復(fù)、頻率合成等系統(tǒng)的核心電路。通常用無(wú)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(lái)設(shè)計(jì)，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(jì)了一個(gè)全差分CMOS環(huán)形壓控振蕩器 (VCO)。該振蕩器在調(diào)諧時(shí)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(hào)激勵(lì)，能夠?qū)⒆陨淼闹绷髂茉崔D(zhuǎn)換為周期性輸出信號(hào)的電路。振蕩條件由式(1)Barkhausen準(zhǔn)則決定。

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??? 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。

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式中：ωo是對(duì)應(yīng)控制電壓Vcont=0時(shí)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(gè)頻率點(diǎn)上滿足Barkhausen準(zhǔn)則，從而對(duì)延遲單元的設(shè)計(jì)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(duì)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(shí)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(gè)模塊是調(diào)頻調(diào)幅控制單元，主電路采用4級(jí)全差分延遲單元，所以前三級(jí)采用反相連接，最后一級(jí)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(jí)數(shù)的缺點(diǎn)?？刂茊卧统鰞蓚€(gè)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(jì)
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(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)延遲，延遲時(shí)間決定于時(shí)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(hào)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(shí)調(diào)節(jié)負(fù)載電阻和尾電流的大小，使振蕩信號(hào)幅度近似不變。缺點(diǎn)是需要增加一個(gè)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(jì)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(duì)的基礎(chǔ)上并入交叉耦合對(duì)，容易證明，該耦合對(duì)的小信號(hào)等效阻抗為-2／gm的負(fù)阻。只要這個(gè)負(fù)阻絕對(duì)值大于負(fù)載電阻，則差分對(duì)的負(fù)載電阻仍是正阻抗，而該正阻抗可通過(guò)調(diào)節(jié)交叉耦合對(duì)的偏置電流來(lái)改變其阻值，從而改變延遲，但會(huì)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(jì)上采用差分電壓控制，同步向相反方向調(diào)節(jié)差分對(duì)尾電流，這樣兩個(gè)尾電流之和是一個(gè)常數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了頻率調(diào)諧時(shí)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(shí)的常數(shù)振蕩幅度。如圖2(b) 所示，固定基準(zhǔn)電流時(shí)，通過(guò)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(hào)輸入后，控制單元的差分對(duì)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(shí)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(shí)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(jì)上的優(yōu)點(diǎn)還在于可以通過(guò)調(diào)節(jié)幅度控制輸入端來(lái)調(diào)節(jié)振蕩信號(hào)的幅度。

3 系統(tǒng)仿真
??? 對(duì)整個(gè)系統(tǒng)在TANNER環(huán)境下利用Tspice工具和0．5／μm CMOS工藝庫(kù)進(jìn)行仿真。圖3是2．5 V幅度控制電壓和1．O V差動(dòng)電壓下差分振蕩輸出信號(hào)。仿真結(jié)果表明，起振時(shí)間僅52 ns，輸出信號(hào)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(hào)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(yǔ)
??? 設(shè)計(jì)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。