基于MOS工藝的壓控振蕩器的設計

四川信息職業(yè)技術學院 殷萬君

基于MOS工藝的壓控振蕩器的設計

四川信息職業(yè)技術學院 殷萬君

壓控振蕩器是電子電路中應用廣泛的一種電路，隨著集成電路的發(fā)展，在設計MOS型壓控振蕩器時，需要考慮其應用場合和起振條件及輸出頻率。

壓控振蕩器；電路；頻率

壓控振蕩器的作用是根據(jù)CP/LPF輸出的包含參考信號與反饋信號頻率或相位差的直流電壓Vctrl，輸出對應頻率的振蕩信號。壓控振蕩器主要分為兩大類：環(huán)形振蕩器和LC振蕩器。

環(huán)形振蕩器（ring-oscillator）是由若干級增益電路構成的閉環(huán)環(huán)路，它結構簡單，易于集成，可調頻率（tuning range）范圍大，能實現(xiàn)多相位輸出，其起振條件必須滿足巴克豪森準則：信號的總相移為360°或頻率相關的相移為180°；閉環(huán)增益必須大于或等于單位一。值得注意的是，巴克豪森準則是環(huán)路起振的必須但不充分條件[5]。

圖1 環(huán)形振蕩器線性模型

為了說明如何將巴克豪森準則具體應用到電路設計中時，考慮圖1所示的環(huán)形振蕩器線性模型。設環(huán)路有n級增益電路，根據(jù)巴克豪森準則第一個條件，則每級的頻率相關的相移應該是180°/n，則發(fā)生振蕩的頻率為：

則：

進而計算得到每級增益A0。理論上，這樣設計的環(huán)形振蕩器就滿足了巴克豪森原則。

當設計的環(huán)路可以起振之后，就需要考慮如何改變振蕩頻率的問題。文獻[13]中介紹了常見的壓控環(huán)形振蕩器結構。

結構最簡單的一種壓控環(huán)形振蕩器是由反相器鏈構成的單端壓控振蕩器。其優(yōu)點是可調頻率范圍很寬，電路面積小，全數(shù)字電路路結構，易于標準化設計。其缺點是工作頻率低，噪聲大。這種電路壓控頻率的方法有：MOS電阻型單端壓控振蕩器、電流饑餓型單端壓控振蕩器、可變負載型單端壓控振蕩器等。

圖2 單端壓控振蕩器的基本實現(xiàn)電路

MOS電阻型單端壓控振蕩器電路如圖2(a)所示，電路工作原理是通過電壓控制每一級輸出端串聯(lián)的MOS管的導通電阻，進而充放電常數(shù)，達到改變輸出頻率的目的。這種電路的優(yōu)點是輸出電壓擺幅大，缺點是當控制電壓很小時，MOS管截止，電路不起振。

電流饑餓型單端壓控振蕩器電路圖如圖2(b)所示，電路工作原理是通過改變反相器的尾電流源的偏置電壓，來控制充放電的電流大小，到達改變輸出頻率的目的。這種電路的優(yōu)點是可以靈活的改變輸出頻率。

可變負載型單端壓控振蕩器電路如圖2(c)所示，電路工作原理與MOS電阻型單端壓控振蕩器類似，它通過將可控負載從串聯(lián)在環(huán)路中改為并聯(lián)在環(huán)路每個反相器的輸出端，避免了對最大振蕩頻率的影響。

在實際應用中可以根據(jù)情況選擇不同的的振蕩電路。

[1]殷萬君.基于溫度的DRAM刷新時鐘產生電路設計[D].西南交通大學,2014.

[2]陳永潔,劉忠,危長明,王守軍.低相位噪聲CMOS環(huán)形壓控振蕩器的研究與設計[J].微電子學,2008(06).

[3]李天望,曾曉軍,洪志良.1V 2.5GHz壓控振蕩器設計[J].半導體學報,2003(01).

本文為2015年四川信息職業(yè)技術學院院級科學項目智能密碼鎖的研究成果。