- GPS校频的压控振荡器设计[图]

反相器型VCO的核心是由奇数个反相器组成，振荡频率由每个反相器的延时以及反相器的个数决定的。每个单元的延时时间与流过反相器的电流、电压、工艺有关。这种结构的VCO优点是电路设计简单，振荡频率可以被设计得很高，但是它对电源或地的噪声比较敏感，相位抖动较大。

差分对型VCO主要由差分对延时构成，其环路构成如图2所示。差分延时单元由压控电流源、电阻负载以及NMOS管构成。通过控制压控电流源的电流控制振荡频率。差分对型VCO的优点是差分信号可以抑制地噪声或电源噪声，相位抖动较小，缺点是带宽有限，不适于高频应用。

LC型VCO的特点是：由于LC谐振腔的Q值很高，因而这种类型的VCO的相位噪声很低，因而常用于对频率抖动要求非常低的频率合成器中。并且这种结构的工作频率只与电感L和电容C有关，通过减小电感或电容并减小电路的寄生电容可以使得电路工作在很高的工作频率下。

图3是常见的负跨导LC型VCO结构，从MOS管漏端反馈回来的信号通过另一个MOS管反馈到该MOS管的源端，假设MOS管的跨导为gm，则从图3(a)虚线端向上看的阻抗是-2/gm，这是一个负阻，它是由两个交叉MOS管正反馈所产生的。通常，如果要使得振荡器振荡，这个负阻应小于或等于LC谐振腔的等效并联内阻，也就是说MOS管的跨导越大，负阻越小，电路越容易振荡。在振荡情况下，电路的振荡频率与L和C有关，即为，电容C是压控电容，通过调节电压Vcont可以调节电容的大小，从而改变电路的振荡频率。图3(b)，(c)的结构与图3(a)相似，图3(a)结构对电源噪声的抑制能力较强，图3(b)结构对地噪声的抑制能力较强，图3(c)兼有前两种结构的优点，而且只需一个电感就能实现，这样可以减小前两种结构电感不对称造成的电路共模抑制能力降低的问题。相对于前面两个电路，这个电路也有缺点，即该电路有2个电流源，因而电源噪声较大。

图4是一种差分结构的LC型VCO，假定NMOS与PMOS具有相等的跨导gm，则这种结构的负阻为～1/gm，比图3结构的负阻减小1/2，由于，如果要使得图4和图3两种结构具有相同的负阻，那么图4结构所需的电流只有图3的1/4，因而图4结构更适于低功耗设计。

压控电容可以由CMOS中的二极管的结电容来实现。由于结电容与二极管两端的电压有关，通过控制这个电压就能控制结电容的大小。LC型VCO的频率调节范围与压控电容有关，通常由于工艺限制，二极管的结电容变化在50%以内，相应的VCO的频率调节范围只有10%左右。因而采用这种结构的环路的频率调节范围有限，需要采用其它的辅助方法才能扩大频率的调节范围。频率锁定范围也会影响VCO的增益，锁定范围越大，VCO的增益越大，而VCO增益越高，振荡器的输入噪声就越大，这是因为在控制电压上有个较小的噪声干扰就会引起较大的VCO频率变化，因而VCO的调节范围和相位噪声间要折中确定。

3 低噪声低功耗压控振荡器设计

图5设计的是图4所示结构的一种全差分结构的LC型压控振荡器，获得了较高的电源噪声和衬底噪声抑制能力，且所需电流较小。其中子电路vco_var_cap为压控电容阵列，可以通过控制GAIN<3：0>来控制压控电容导通的个数，从而选择合适的VCO增益和工作频率。

图6为该种LC型压控振荡器的控制电压扫描曲线，其中图6(a)为输出频率与控制电压间的关系曲线，从图中可以看出，当控制电压从0V变为2V时，输出频率从2.06GHz变为1.98GHz。图6(b)为压控振荡器增益随控制电压变化的关系曲线，控制电压在0～2V之间，压控振荡器的最大增益为2π×50MHz/V，最小增益为2π×20MHz/V，所设计频率综合在这个压控振荡器增益变化的范围内是稳定的，因而可以认为压控振荡器的工作范围为1.98～2.06GHz。

图7为此压控振荡器的瞬态仿真波形，从图中可以看出，振荡器从未振荡到振荡大慨在100ns，振荡稳定时间与振荡器的负阻有关，负阻越小，环路的正反馈能力就越强，达到稳定时间就越小。

4 结语