一款適用于電荷泵鎖相環(huán)的壓控振蕩器設(shè)計(jì)

李容容，景鵬斌

（陜西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西寶雞，721001）

0 引言

鎖相環(huán)系統(tǒng)是一個(gè)具有跟蹤輸入信號(hào)相位與頻率功能的閉環(huán)自動(dòng)負(fù)反饋控制系統(tǒng)。而電壓控制的振蕩器是輸出信號(hào)頻率隨輸入電壓變化的振蕩器，作為電荷泵鎖相環(huán)中最關(guān)鍵的部分，壓控振蕩器的性能決定了鎖相環(huán)系統(tǒng)的頻率捕獲范圍和噪聲抑制能力[1]。本文設(shè)計(jì)的壓控振蕩器由于其結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，具有啟動(dòng)快、相位噪聲低而且線性度好等優(yōu)點(diǎn)。

1 壓控振蕩器的簡單分類[2]

1.1 調(diào)諧壓控振蕩器

圖1給出了調(diào)諧振蕩器系統(tǒng)的簡圖，它主要由兩部分結(jié)構(gòu)組成：第一部分結(jié)構(gòu)是放大器，提供必要的信號(hào)增益；第二部分是反饋網(wǎng)絡(luò)，使得部分放大器輸出返回到輸入。

圖1 調(diào)諧振蕩器系統(tǒng)簡圖

1.2 多諧壓控振蕩器

圖2是一款多諧恒流充放電振蕩器的示意圖，該電路由三部分組成，電容、遲滯比較器和恒流源。這里的恒流源表示雙向的，既是充電回路，又是放電回路。恒流源決定充放電電流的大小。

圖2 恒流充放電振蕩器基本結(jié)構(gòu)

多諧振蕩器在電路正常工作時(shí)沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)的電平稱為門限電平。電路啟動(dòng)之后，處在某一個(gè)暫定的穩(wěn)態(tài)，然后電路給儲(chǔ)能元件電容充電，當(dāng)電容上的電位達(dá)到門限電平值時(shí)，電路就會(huì)發(fā)生跳變，轉(zhuǎn)換到另一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。然后電容開始放電，當(dāng)電容上的電位達(dá)到另一個(gè)門限電平時(shí)，電路就會(huì)再次發(fā)生跳變，返回初始的暫穩(wěn)態(tài)，如此循環(huán)往復(fù)，周而復(fù)始，形成振蕩。

2 本文設(shè)計(jì)的壓控振蕩器

本文設(shè)計(jì)的壓控振蕩器屬于多諧振蕩器，就是通過恒流源給電容充放電來產(chǎn)生振蕩信號(hào)。下圖就是本文設(shè)計(jì)的振蕩器實(shí)際電路圖，其中兩幅圖是通過A點(diǎn)連接在一起的。

從圖3可以看到，本文設(shè)計(jì)的壓控振蕩器可以分兩部分來看，一部分是前面的V-I電路，作用就是將電壓轉(zhuǎn)換為電流。另一部分是后面的電容充放電回路。第一部分的V-I結(jié)構(gòu)是差分對電路，它的失真比小，噪聲抑制性能也比較好。

圖3 本文設(shè)計(jì)的壓控振蕩器電路

表1 壓控振蕩器引腳功能

Vin是電荷泵的輸出電壓，用來控制輸出頻率。在這個(gè)V-I的電路中，不同的Vin值對應(yīng)著不同的輸出電流值，下面我們來詳細(xì)分析Vin值與差分輸出電流之間的關(guān)系。

如圖3中所標(biāo)注的那樣我們設(shè)電阻R1兩端的電壓分別是V1和V2，因?yàn)镸OS管MP4，MP5的寬長比是一樣的，所以流過這兩個(gè)管子的電流也是一樣的，設(shè)電流值為I圖中MP9和MP8是輸入對管，MN3與MN4構(gòu)成電流鏡。當(dāng)輸入電壓值Vin與基準(zhǔn)電壓Vref1相等時(shí)，因?yàn)殡娐肥峭耆珜ΨQ的，所以流過電阻R1的電流ΔI為零，即V1與V2之間不存在壓差。當(dāng)輸入電壓Vin與Vref1不相等時(shí)，流過電阻R1的電流ΔIv就不再為零了。通過下面的關(guān)系式，我們來進(jìn)一步探究ΔI與Vin的關(guān)系。

根據(jù)圖3，可以得到下面的公式：

又 因 為V1-V2=ΔI·R1，并 且 設(shè)Vin-Vref1=ΔV1，VSG9-VSG8=ΔV2，可以得到：

令ΔV1+ΔV2=ΔV，可以得出：

從上面的分析可以看到ΔI與ΔV成線性關(guān)系，而ΔV與Vin直接相關(guān)，所以我們可以通過改變Vin來改變?chǔ)的值。R1和R2是用來調(diào)節(jié)ΔI與ΔV的線性度的，也就是說，改變R1和R2的值可以改善ΔV與ΔI之間的平滑程度，同時(shí)它也可以用來調(diào)節(jié)頻率范圍。

當(dāng)輸入電壓Vin高于Vref1時(shí)，右邊支路多了ΔI電流，所以右邊之路的總電流為I+ΔI，與此同時(shí)左邊支路的電路少了ΔI電流，左邊支路的總電流變?yōu)镮-ΔI，所以最后從差分對流出的電流為2ΔI。當(dāng)輸入電壓Vin低于Vref1時(shí)，左邊支路多了ΔI電流，所以左邊之路的總電流為I+ΔI，與此同時(shí)右邊支路的電路少了ΔI電流，右邊支路的總電流變?yōu)镮-ΔI，所以最后從差分對流出的電流為-2ΔI。

在設(shè)計(jì)過程中，要注意流經(jīng)MP6上的電流I0的大小。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，要保證I0大于2ΔI。為什么要這樣設(shè)計(jì)?前面已經(jīng)分析過，當(dāng)輸入電壓Vin與基準(zhǔn)電壓Vref1相等，輸出電流差為零，此時(shí)流經(jīng)MN5的電流只有I0；當(dāng)輸入電壓Vin大于基準(zhǔn)電壓Vref1時(shí)，流經(jīng)MN5的電流為I0+2ΔI；當(dāng)輸入電壓Vin小于基準(zhǔn)電壓Vref1時(shí)，流經(jīng)MN5的電流為I0-2ΔI，如果此時(shí)I0小于2ΔI，此時(shí)I0電流都流進(jìn)MN4管子了，就不會(huì)再去流進(jìn)后面的電路，那么這個(gè)電路就不能正常工作了，所以在設(shè)計(jì)過程中要保證I0大于2ΔI?？紤]到極端情況，當(dāng)Vin遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于基準(zhǔn)電壓Vref1，此時(shí)差分電路的右邊幾乎就沒有電流了，電流都流向了左邊電路，那么此時(shí)的輸出電流就是I0-2I，根據(jù)前面的分析，為了保證后面電路正常工作，就要有電流流進(jìn)后面的電路，所以I0要大于2I，其實(shí)要做到這一點(diǎn)很簡單，只要正確設(shè)置MP4，MP5，MP6的寬長比就可以了，使(W/L)PM6＞2(W/L)PM4，PM5，這樣就可以滿足上述要求了。

后面充放電回路的具體工作原理是：MN5將前面流過來的電流通過電流鏡結(jié)構(gòu)傳遞給MN6，MN7，MP7和MP8，L61和XL61是壓控振蕩器輸出端的反饋信號(hào)，來控制電路給電容到底是充電還是放電的。方框表示RS觸發(fā)器，它的電路圖如圖4所示。首先設(shè)置電容C1的初始值為0，經(jīng)過上下兩個(gè)比較器進(jìn)行比較，得到此時(shí)R的值為低電平，而S的值為高電平，然后通過RS觸發(fā)器，得到其輸出電平為高電平，再經(jīng)過一個(gè)反相器，得到此時(shí)的L61為低電平，而XL61為高電平，那么電路中的傳輸門現(xiàn)在就打開了，電路進(jìn)入充電狀態(tài)。當(dāng)C1上的電壓大于0.4V時(shí)，S變?yōu)榈碗娖?，但它的變化對電路的其他值沒有影響，繼續(xù)給電容充電。當(dāng)C1的電壓值達(dá)到大于0.8V時(shí)，R變?yōu)楦唠娖剑@使得RS的輸出電平有了變化，從高電平變?yōu)榈碗娖剑敲赐瑯拥?，L61與XL61的電平也發(fā)生了反轉(zhuǎn)，傳輸門關(guān)閉了，于是C1開始向外電路放電，電路進(jìn)入放電狀態(tài)。C1兩端的電壓開始下降，當(dāng)下降低于到0.8V時(shí)，R又變?yōu)榈碗娖剑?dāng)這個(gè)變化對電路狀態(tài)沒有影響，電容繼續(xù)向外放電，當(dāng)其電壓下降到低于0.4V時(shí)，S從低電平變?yōu)楦唠娖?，RS觸發(fā)器輸出從低電平變?yōu)楦唠娖?，傳輸門又打開了，電路又進(jìn)入了充電狀態(tài)。最終電容的電壓就是在0.4V和0.8V之間通過充放電來回變化，產(chǎn)生振蕩。

圖4 RS觸發(fā)器電路圖

需要注意的是，這個(gè)電路在充電的同時(shí)也在放電，因?yàn)镸N7上的放電電流一直存在。本來可以在MN7的漏端也加上一個(gè)傳輸門，而傳輸門的控制信號(hào)剛好與MP8漏端傳輸門的控制信號(hào)電平相反，這樣在向電容C1充電的同時(shí)，MN7回路是關(guān)斷的，只有在電容放電時(shí)MN7回路才打開，但我們電路的設(shè)計(jì)是使放電回路始終打開。這樣做使得電路在充放電的過程中比較連貫，充放電之間的銜接比較好。為了保證充電電流不變，設(shè)計(jì)時(shí)要保證流過MP8的電流是MN7的兩倍，這樣充電時(shí)流過MP8的電流一半給電容充電，一半流進(jìn)MN7里面。放電時(shí)，電流全部流進(jìn)MN7。這樣下來，給電容充電和放電的電流就是一樣的了。因?yàn)閕t=vc，C是確定的，充放電的電壓也是確定的，當(dāng)充放電電流也一樣時(shí)，就可以保證相同的充放電時(shí)間，使得輸出波形有很好的50%的占空比。

總的來說，電路的整體思想就是，每給定一個(gè)輸入電壓值，產(chǎn)生相應(yīng)的一個(gè)電流值，然后用這個(gè)電流來給電容充放電，從而產(chǎn)生頻率。

因?yàn)閴嚎卣袷幤鞯妮敵鲱l率比較高，所以需要比較器的反應(yīng)速度比較快。如圖5所示，本設(shè)計(jì)中采用的是一個(gè)兩級(jí)比較器。除了差分輸入對管和鏡像結(jié)構(gòu)的管子外，MOS管MN3和MN4的作用是將MN7與MN8的柵壓預(yù)先抬高到一定的值，這樣后面比較時(shí)就可以更快的反應(yīng)。MN5和MN6接的位置相當(dāng)于把MN7與MN8的柵極連在一起，它們的作用就是減小MN7和MN8的柵端壓差，這樣也會(huì)使比較器的翻轉(zhuǎn)速度加快。

圖5 比較器電路圖

3 仿真結(jié)果分析

圖6是VCO的起振波形圖，從圖中可以看到從上電到VCO輸出振蕩波形用了不到500ns的時(shí)間，說明起振速度很快，反應(yīng)能力很強(qiáng)。圖7是輸出波形，可以看到輸出波形非常的規(guī)整，而且也很穩(wěn)定。

圖6 壓控振蕩器起振波形圖

圖7 壓控振蕩器振蕩波形圖

表2給出本文設(shè)計(jì)的VCO的電路仿真性能指標(biāo)。

表2 電路仿真性能指標(biāo)

4 結(jié)束語

本文提出了一種新型的VCO架構(gòu)，由于它本身的差分輸入設(shè)計(jì)、V-I結(jié)構(gòu)、連續(xù)的充放電回路以及高速比較器的設(shè)計(jì)架構(gòu)使得它具有噪聲低、線性度好、功耗低、反應(yīng)速度快、輸出波形整齊等特點(diǎn)，并且這款VCO結(jié)構(gòu)已經(jīng)經(jīng)過實(shí)際流片驗(yàn)證，完全可以達(dá)到應(yīng)用要求。