鎖相環(huán)電路中壓控振蕩器的分析與設(shè)計(jì)

姚婧婧，趙紅東，毛 鍵，趙彥鳳

（河北工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，天津 300401）

壓控振蕩器（VCO）是鎖相環(huán)電路設(shè)計(jì)中關(guān)鍵的模塊之一，它的特性的好壞直接決定著整個鎖相環(huán)電路的整體工作質(zhì)量。壓控振蕩器的設(shè)計(jì)有許多要求，其中，相位噪聲、調(diào)諧范圍以及功耗是其設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。在壓控振蕩器的設(shè)計(jì)中，對于給定的工藝，對其設(shè)計(jì)過程中參數(shù)指標(biāo)存在折中的關(guān)系，高性能的壓控振蕩器要求有較低的相位噪聲，較好頻率調(diào)節(jié)范圍和合理的功耗。

在鎖相環(huán)電路中，LC振蕩器和環(huán)形振蕩器是很重要的兩種振蕩器。LC振蕩器的相位噪聲要比環(huán)形振蕩器好，并且固有的有較好的調(diào)諧范圍，集成電路中普遍采用的是交叉耦合型LC振蕩器。它具有較低的相位噪聲，良好的線性度，簡單的結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高頻鎖相環(huán)電路中，因此本設(shè)計(jì)是基于LC振蕩器基礎(chǔ)上完成的[1]。

在壓控振蕩器的設(shè)計(jì)過程中，許多文章分別從理論、結(jié)構(gòu)、工藝等不同的方面分析了相位噪聲，并敘述了改善相位噪聲研究中所取得的進(jìn)展[1－3]。根據(jù)現(xiàn)有噪聲相位模型來分析，諧振網(wǎng)絡(luò)的寄生電阻、交叉耦合管和尾電流源是交叉耦合型LC振蕩器的主要相位噪聲來源。

為獲得良好的相位噪聲性能，本設(shè)計(jì)還采用二次諧波濾波技術(shù)來減小壓控振蕩器的相位噪聲。仿真結(jié)果表明，經(jīng)過二次諧波濾波電路的優(yōu)化，有效地改善了壓控振蕩器的相位噪聲特性。

1 負(fù)阻LC振蕩器基本原理

負(fù)阻LC振蕩器由LC諧振回路與負(fù)阻單元構(gòu)成，如圖1所示。有源器件作為負(fù)阻單元，抵消了實(shí)際并聯(lián)LC電路中存在的寄生電阻，并補(bǔ)償實(shí)際電阻消耗的能量，使電路維持簡諧振蕩。 圖1（b）為負(fù)阻單元，其是采用交叉耦合管的方式來實(shí)現(xiàn)的。Q1和Q2采用正反饋的連接方式，從兩個晶體管的集電極看，其交流阻抗為負(fù)值。因此交叉耦合管組成的負(fù)阻單元能夠補(bǔ)償諧振網(wǎng)絡(luò)的能量損耗，從而維持回路的穩(wěn)定振蕩。

圖1 交叉耦合型LC振蕩器原理Fig.1 Schematics of cross-coupled LC oscillator

通過計(jì)算可知，交叉耦合管的等效負(fù)阻為－（1/gm1+1/gm2）。當(dāng)gm1=gm2=gm，阻值簡化為R=－2/gm。要維持電路的振蕩，LC回路損失的能量就需要由交叉耦合管等效負(fù)阻提供的能量來補(bǔ)償，這就要求其等效負(fù)阻值必須滿足：

因此，當(dāng)?shù)刃ж?fù)阻絕對值小于并聯(lián)諧振回路的諧振電阻時，振蕩信號幅度會逐漸增加。隨著振蕩信號幅度的增大，負(fù)阻晶體管在每個振蕩周期的一段時間內(nèi)會截止，當(dāng)其等效負(fù)阻等于或大于并聯(lián)諧振回路的諧振電阻時，等效負(fù)阻提供的能量補(bǔ)充了并聯(lián)諧振回路的能量損耗，電路的振蕩維持。

2 LC壓控振蕩器電路設(shè)計(jì)

2.1 電路結(jié)構(gòu)

壓控振蕩器的核心電路如圖2所示，利用反饋原理，交叉耦合管（Q1和Q2）與尾電流源（由鏡像電流源電路構(gòu)成）構(gòu)成了振蕩器電路的負(fù)阻單元。電路結(jié)構(gòu)簡單，鏡像電流源為交叉耦合管提供了工作電流。由于有源電流源的存在，不可避免的增加了有源噪聲，因此電路采用二次諧波濾波技術(shù)，有效抑制了尾電流管產(chǎn)生的有源噪聲。另外，設(shè)計(jì)還采用了可變電容和固定電容并聯(lián)的模式，使得電容的可調(diào)節(jié)范圍變大，使其具有較寬的調(diào)節(jié)范圍。

圖2 壓控振蕩器核心電路Fig.2 The core circuit of VCO

電路中，Q1和Q2產(chǎn)生負(fù)阻，而電感和電容存在寄生電阻，要使得電路能夠起振，電路必須滿足交叉耦合管提供的等效負(fù)阻的絕對值不小于寄生電阻，該LC振蕩器的振蕩頻率如下：

其中，電容C是可變電容和固定電容的并聯(lián)值。電感L是對電路結(jié)構(gòu)影響很大的一個參數(shù)，在確定電感參數(shù)時，由于工藝的原因，電感集成有一定的困難，其成本也很高，電感值的增加會增大集成芯片的面積，因此本文設(shè)計(jì)采用1.8 nH左右的電感。設(shè)計(jì)采用的可變電容和固定電容并聯(lián)的模式，增大了電容的可調(diào)節(jié)范圍，從而使壓控振蕩器具有較寬的調(diào)節(jié)范圍。

2.2 相位噪聲分析

相位噪聲是振蕩器電路設(shè)計(jì)最重要的性能指標(biāo)，直接影響著信號的傳輸質(zhì)量和電路的可靠性。在鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用方面主要采用其頻域公式，本設(shè)計(jì)中，相位噪聲是用頻域的單邊基帶譜密度Wφ（f）來表示的，并依據(jù)Leeson模型優(yōu)化電路的相位噪聲。Leeson模型是基于線性時變系統(tǒng)的討論，等式可描述為：

由上式可知，典型的相位噪聲頻譜包括有三個部分，如果適當(dāng)調(diào)整交叉耦合晶極管的發(fā)射極面積，雙極型器件中1/f噪聲對電路的總體噪聲減小，可以忽略。此時，1/f2部分為相位噪聲的主要部分，因此，Leeson模型可以簡化為：

由上式可知，在選定的工藝條件下，振蕩器工作于某一頻率，決定其相位噪聲的參數(shù)為：輸出電壓波形的幅度A，諧振網(wǎng)絡(luò)的等效電阻R，諧振網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因數(shù)Q，相位噪聲系數(shù)F，振蕩頻率f0。為了得到更好的相位噪聲，需要對這些影響參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，其中諧振的Q和電阻主要與電感的Q決定，主要取決于器件所用的工藝。輸出電壓波形的幅度主要與振蕩電路的等效電阻和尾電流源（鏡像電流源）有關(guān)，因此，增加尾電流源可以從一個方面減小振蕩器的相位噪聲，尾電流源的噪聲，通常采用電感電容濾波的方法改善。

2.3 二次諧波濾波技術(shù)

文中設(shè)計(jì)的壓控振蕩器采用差分結(jié)構(gòu)，奇次諧波可以在差分電路中進(jìn)行傳播，因此振蕩回路基頻上的相位噪聲不會受到奇次諧波上噪聲的影響，而偶次諧波通過共模通路流動，為了減小偶次諧波附近的噪聲，給高次諧波提供一個交流地電位，設(shè)計(jì)思路是采用在共模點(diǎn)并聯(lián)一個大電容的方法，這樣就減小共模點(diǎn)的電壓波動，抑制了偶次諧波產(chǎn)生的噪聲損耗。設(shè)置并聯(lián)電容值的原則是必須使二次諧波頻率高于低通濾波器的截止頻率，這樣就能濾除二次諧波以上的偶次諧波。這種設(shè)計(jì)方法可以有效地抑制諧波失真，使輸出電壓波形更加勻稱。

此設(shè)計(jì)方法在一定程度上也有不足之處，電容的并聯(lián)作用減小了高頻偏置下的電流源輸出阻抗，使振蕩回路對電源電壓的變化更加敏感。為了避免諧振回路能量的損失，需要在共模點(diǎn)與偏置電流源管之間接一個電感，其理想的等效阻抗接近無窮大。因此，在提高了共模點(diǎn)上高阻抗的同時，又降低了諧振回路的品質(zhì)因數(shù)。采用二次諧波濾波技術(shù)，不僅有效地抑制了偏置電流源噪聲上變頻到振蕩器的相位噪聲上，同時也降低了晶體管對振蕩器的相位噪聲的影響。

3 電路仿真和結(jié)果分析

以下是本文電路的仿真分析，圖3為壓控振蕩器的輸出瞬態(tài)波形，控制電壓為1.8 V時，可以看出振蕩器所需的起振時間約為227 ns，在1.8 V控制電壓下，振幅達(dá)到600 mV。圖4為壓控振蕩器輸出信號的頻譜圖。

圖3 壓控振蕩器的輸出瞬態(tài)波形Fig.3 Output transient waveform of VCO

圖4 壓控振蕩器輸出信號的頻譜圖Fig.4 Output signal frequency spectrum of VCO

該壓控振蕩器的頻率－電壓調(diào)諧特性曲線如圖5所示。在控制電壓從0.7～8 V的變化范圍內(nèi)，其振蕩頻率從1.9 GHz變化到2.1 GHz，頻率調(diào)諧范圍達(dá)到200 MHz。但是隨著調(diào)諧電壓增大，振蕩頻率上升的斜率逐漸減小，這主要是由變?nèi)莨艿腃－V特性決定的。

圖5 壓控振蕩器頻率－電壓調(diào)諧特性曲線Fig.5 Frequency－voltage tuning curve of VCO

圖6為中心頻率2.0 GHz附近的相位噪聲曲線，可見，二次諧波濾波的方法將本文設(shè)計(jì)的壓控振蕩器的相位噪聲在很大的范圍內(nèi)減小了，并且越是靠近振蕩的中心頻率，改善效果越明顯，實(shí)現(xiàn)了在寬調(diào)諧范圍內(nèi)得到較低且相對穩(wěn)定的相位噪聲。利用二次諧波濾波技術(shù)[11]改進(jìn)電路后，在10 kHz處的相位噪聲為－48.824 dBc/Hz，在400 kHz處的相位噪聲分別為－141.109 dBc/Hz，在1 MHz處的相位噪聲為－148.825 dBc/Hz，結(jié)果顯示壓控振蕩器的噪聲性能良好。

4 結(jié) 論

文中介紹了一種應(yīng)用于鎖相環(huán)電路中的LC壓控振蕩器，其核心電路是采用交叉耦合型負(fù)阻結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，為了降低壓控振蕩器的相位噪聲，不僅對電路中的電容電感值都進(jìn)行了優(yōu)化，還采用了二次諧波濾波技術(shù)。最后對電路進(jìn)行仿真，結(jié)果顯示，該壓控振蕩器的中心頻率為2.0 GHz，振蕩頻率的范圍振蕩頻率[12]從1.9 GHz變化到2.1 GHz。采用二次諧波濾波技術(shù)后，在距中心頻率10 kHz處其相位噪聲為－48.824 dBc/Hz，400 kHz 處為－141.109 dBc/Hz，1 MHz 處為－148.825 dBc/Hz，從而有效地改善了高頻波段壓控振蕩器的相位噪聲。

圖6 經(jīng)過二次諧波濾波的相位噪聲Fig.6 Phase noise after a second harmonic filtered

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