淺談鎖相環(huán)電路中壓控振蕩器的分析與設(shè)計(jì)

歐陽(yáng)軼，李楊，李菁

（中船重工集團(tuán)公司第七二二研究所，湖北武漢，430205）

淺談鎖相環(huán)電路中壓控振蕩器的分析與設(shè)計(jì)

歐陽(yáng)軼，李楊，李菁

（中船重工集團(tuán)公司第七二二研究所，湖北武漢，430205）

本文先是進(jìn)行了鎖相環(huán)電路中LC壓控振蕩器的分析，然后進(jìn)行了鎖相環(huán)電路中壓控振蕩器的電路設(shè)計(jì)、相位噪聲分析以及二次諧波濾波技術(shù)的應(yīng)用，最后實(shí)際應(yīng)用了設(shè)計(jì)的電路，并對(duì)應(yīng)用的結(jié)果進(jìn)行了分析。目的是為設(shè)計(jì)出性能更加優(yōu)良的壓控振蕩器。

鎖相環(huán)電路；壓控振蕩器；二次諧波濾波技術(shù)

0 引言

壓控振蕩器作為鎖相環(huán)電路中的重要部分，壓控振蕩器性能的優(yōu)劣會(huì)對(duì)鎖相環(huán)電路的工作質(zhì)量造成決定性的影響。對(duì)于壓控振蕩器的設(shè)計(jì)有比較多的要求，相位噪聲、功耗以及調(diào)諧范圍是壓控振蕩器設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)。

1 鎖相環(huán)電路中壓控振蕩器的分析

在鎖相環(huán)電路中的壓控振蕩器主要有LC壓控振蕩器和環(huán)形壓控振蕩器這兩種，其中，LC壓控振蕩器的相位噪聲要優(yōu)于環(huán)形壓控振蕩器，而且LC壓控振蕩器還具有很好的調(diào)諧范圍，交叉耦合型的LC壓控振蕩器在集成電路中得到了很廣泛的應(yīng)用。LC壓控振蕩器具有較好的線性度、較低的相位噪聲以及簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)等多種優(yōu)點(diǎn)，在鎖相環(huán)電路中得到了廣泛的應(yīng)用。本次分析和設(shè)計(jì)的LC壓控振蕩器主要是指負(fù)阻LC振蕩器，該振蕩器的主要部分是LC諧振回路以及負(fù)阻單元。將有源器件當(dāng)做負(fù)阻單元，既能夠抵消掉并聯(lián)的LC諧振回路里所產(chǎn)生的實(shí)際寄生電阻，還能夠?qū)?shí)際寄生電阻損耗的能量進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，以此來(lái)保證電路維持簡(jiǎn)諧振蕩，從兩個(gè)晶體管中的集電極來(lái)看，交叉耦合管中產(chǎn)生的交流阻抗是負(fù)值。因此，負(fù)阻單元能夠有效補(bǔ)償LC諧振回路中造成的能量損失，這樣可以有效保持LC諧振回路維持穩(wěn)定的振蕩。根據(jù)相關(guān)的公式計(jì)算可知，在交叉耦合管中產(chǎn)生的的等效負(fù)阻是 - (1/gm1+ 1 /gm2)。當(dāng) gm1= gm2= gm時(shí)，阻值是 R = ? 2 /gm。要想維持電路的震蕩，交叉耦合管的等效負(fù)阻就要提供一定的能量來(lái)補(bǔ)償LC回路中損耗的能量，這就要求交叉耦合管的等效負(fù)阻值滿足以下要求：R ?2/ gm≥0

因此，當(dāng)?shù)刃ж?fù)阻的絕對(duì)值小于并聯(lián)LC諧振回路中電阻的時(shí)候，振蕩信號(hào)的變動(dòng)幅度會(huì)慢慢變大。一旦等效負(fù)阻不小于并聯(lián)LC諧振回路中電阻的時(shí)候，并聯(lián)諧振回路中的能量損耗由等效阻值所提供的能量進(jìn)行了補(bǔ)償，這樣就維持了諧振電路的振蕩[1]。

2 鎖相環(huán)電路中壓控振蕩器的設(shè)計(jì)

2.1 LC壓控振蕩器的電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

LC壓控振蕩器的核心電路主要是交叉耦合管和尾電流源使用反饋原理所構(gòu)成的負(fù)阻單元。電路的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，交叉耦合管的工作電流主要由鏡像電流源所提供。但是有源電流源的存在在一定程度上加大了電路的噪聲，所以，要降低尾電流管所造成的噪聲影響，這就要在電路的設(shè)計(jì)中使用二次諧波技術(shù)。另外，為了擴(kuò)大電容的可調(diào)節(jié)范圍，確保電容具備比較寬廣的調(diào)節(jié)范圍，還要在電路的設(shè)計(jì)中將可變的電容和并聯(lián)的電容采取并聯(lián)的連接方式。

在本次設(shè)計(jì)的電路中，LC振蕩器中的交叉耦合管會(huì)產(chǎn)生一定的負(fù)阻，而且，還有一定的寄生電阻存在于電感和電容中，為了保持LC諧振回路持續(xù)起振，就要使交叉耦合管中的等效負(fù)阻的絕對(duì)值大于或者等于電路中的寄生電阻，計(jì)算LC振蕩器振蕩頻率的公式如下：

其中，電容C主要是指可變電容以及固定電容的并聯(lián)值；L主要是指電感參數(shù)，因?yàn)榫唧w的工藝，集成電感是比較困難的工作，而且，集成電感需要對(duì)成本也很高，因而本次設(shè)計(jì)中將電感參數(shù)選定為1.8nH。

2.2 LC壓控振蕩器的相位噪聲分析

LC壓控振蕩器的電路設(shè)計(jì)中的一個(gè)非常重要的性能指標(biāo)就是相位噪聲，相位噪聲不僅會(huì)影響到頻率信號(hào)的傳輸，還會(huì)影響到LC諧振回路的可靠程度。本設(shè)計(jì)中的相位噪聲主要使用頻域的單邊基帶譜密度 ()W fφ來(lái)表示，還要使用Leeson模型將電路中產(chǎn)生的相位噪聲進(jìn)行優(yōu)化，具體的Leeson模型如下：

由該模型可知，在工藝條件選定好之后，振蕩器在某一個(gè)頻率進(jìn)行工作，影響相位噪聲的參數(shù)主要有以下幾種：諧振網(wǎng)絡(luò)中的等效電阻R；相位噪聲系數(shù)F；輸出電壓波形的幅度A；振蕩的頻率0f以及諧振網(wǎng)絡(luò)中的品質(zhì)因數(shù)Q。為了減少LC諧振回路中的相位噪聲，需要對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?。其中，振蕩器使用的具體工藝會(huì)對(duì)諧振的品質(zhì)因數(shù)Q以及等效電阻R造成一定的影響；等效電阻以及尾電流源會(huì)對(duì)輸出電壓波形的幅度A造成一定的影響。所以，為了減少振蕩器所產(chǎn)生的相位噪聲，可以采取加強(qiáng)尾電流源的方式，但是尾電流源也會(huì)產(chǎn)生一定的噪聲，所以還要在電路的設(shè)計(jì)中使用電感以及電容濾波的方法。

2.3 LC壓控振蕩器中的二次諧波濾波技術(shù)

本次設(shè)計(jì)中的LC壓控振蕩器的結(jié)構(gòu)是一種差分結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以保證奇次諧波的傳播，所以，奇次諧波上的噪聲不會(huì)影響到振蕩回路中的相位噪聲，但是偶次諧波是通過(guò)共模通路進(jìn)行流動(dòng)的，會(huì)影響到振蕩回路中的相位噪聲。要想減少偶次諧波中產(chǎn)生的噪聲，可以將一個(gè)大電容并聯(lián)到共模點(diǎn)上，這種方法有以下優(yōu)點(diǎn)：第一，可以減少由于共模點(diǎn)的產(chǎn)生的電壓波動(dòng)；第二，可以減少偶次諧波中產(chǎn)生的噪聲。但是該方法也存在著一定的不足，并聯(lián)的電容會(huì)使電源電壓對(duì)LC振蕩回路的影響越來(lái)越明顯。要想減少LC諧振回路中電阻造成的能量損失，可以采取電感連接的方法，該電感的連接在偏置電流源管以及共模點(diǎn)之間是最好的，另外，連接的電感要具備接近無(wú)窮大的理想阻抗，這樣不僅能夠提高共模點(diǎn)產(chǎn)生的高阻抗，還可以減少諧振回路的品質(zhì)因數(shù)。采取二次諧波濾波技術(shù)能夠在很大程度上減少壓控振蕩器產(chǎn)生的相位噪聲[2]。

3 鎖相環(huán)電路中壓控振蕩器的應(yīng)用分析

將上述設(shè)計(jì)的壓控振蕩器應(yīng)用于實(shí)際的鎖相環(huán)電路中，并對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了分析。根據(jù)分析的數(shù)據(jù)和圖形顯示，在1.8V的控制電壓下，振蕩器的起振時(shí)間大約是227ns，在1.8V的控制電壓下，振幅是600mV；觀察壓控振蕩器的頻率與電壓調(diào)諧特性曲線可知，當(dāng)控制電壓從0.7V增加到8V的過(guò)程中，壓控振蕩器的頻率從1.9GHz增加到了2.1GHz，頻率調(diào)諧擴(kuò)寬了自身的范圍，最高是200MHz。然而，調(diào)諧電壓越來(lái)越大，振蕩器振蕩頻率增加的速度卻越來(lái)越小；觀察振蕩的中心頻率在2.0GHz附近的相位噪聲可以看出，使用了二次諧波濾波技術(shù)的壓控振蕩器所產(chǎn)生的相位噪聲在比較廣泛的范圍內(nèi)都有了非常明顯地降低，而且越接近振蕩的中心頻率，相位噪聲降低的效果就越明顯，在寬調(diào)諧的范圍內(nèi)具有非常穩(wěn)定和低小的相位噪聲，在電路中使用二次諧波技術(shù)進(jìn)行一定的改造之后，在頻率是10KHz附近的相位噪聲是-47.82dBC/Hz，在頻率是400kHz附近的相位噪聲是-141.11dBC/Hz，在頻率是1MHz附近的相位噪聲是-148.83dBC/Hz，說(shuō)明壓控振蕩器具有良好的噪聲性能。

4 結(jié)論

壓控振蕩器的性能會(huì)對(duì)鎖相環(huán)電路的使用產(chǎn)生決定性的影響。分析可得，通過(guò)對(duì)鎖相環(huán)電路中壓控振蕩器的分析與設(shè)計(jì)可知，在電路中使用二次諧波濾波技術(shù)，可以有效減少LC壓控振蕩器產(chǎn)生的相位噪聲，有效改善了壓控振蕩器的噪聲性能，從而促進(jìn)鎖相環(huán)電路中壓控振蕩器的發(fā)展。希望本文可以為相關(guān)人員進(jìn)行鎖相環(huán)電路中壓控振蕩器的分析與設(shè)計(jì)提供參考。

[1]秦軍瑞,陳吉華,趙振宇,梁斌,劉征.鎖相環(huán)電路中壓控振蕩器的SET響應(yīng)研究[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué),2011,3302:75-79.

[2]何知龍,郭裕順.基于環(huán)形壓控振蕩器的電荷泵鎖相環(huán)設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2016,611:57-60.

Analysis and design of PLL VCO

Ouyang Yi, Li Yang, Li Jing
(China Shipbuilding Industry Corporation No. 722 Research Institute,Wuhan Hubei,430205)

This paper first analyzes the PLL circuit LC voltage controlled oscillator, and then the application circuit, PLL circuit of voltage controlled oscillator phase noise analysis and two harmonic filtering technology, finally the practical application of the circuit design and the corresponding results are analyzed The aim is to design a voltage controlled oscillator with better performance

PLL circuit; voltage controlled oscillator; two harmonic filter technology

歐陽(yáng)軼(出生于1979年5月)，男，漢族，籍貫湖北，工程師，學(xué)士學(xué)位，研究方向通信技術(shù)。