2009-01-18
压控振荡器(以下简称VCO)已经成为当今无线收发器系统中不可缺少的模块, 它是锁相环中最重要的block, 他的噪声性能直接决定了PLL输出相位噪声的噪声性能. 有关PLL整体的分析和设计, 我们将在后期重点讨论. 这里先重点讨论一下VCO的理论, 设计以及对于广大初学者最为关心的设计注意点.
根据参考书的理论, 振荡器其实就是带有”设计缺陷”的放大器, 分析振荡器原理主要有两个方法, 第一. 负反馈理论
ABS(H(jw))>1, 并且deg(H(jw)) =180度, 注意, 这里180度指的是反馈回路是与输入信号相减再输入到放大器A中的, 而放大器A的增益绝对值实际上要至少要为1dB, 而不是理论上的0dB.
第二, 负阻抗分析法, 这种方法原理简单, 形象明了, 不仅用于振荡器分析, 也经常用于带有反馈结构电路的振荡与否的分析.
振荡器常用的类型有环形振荡器, LC振荡器, 前者主要应用于低频模拟设计中, 今天我们主要谈一下LC振荡器的设计, 现在IC芯片设计中, 比较流行的LC差分结构, 核心差分管可以是MOS, 也可以是bipolar, biploar结构一般频率设计的可以较高, 相同电流下易起振(gm较大) , 而MOS管还可以分为NMOS型和PMOS型, 在CMOS工艺下, 比如在64QAM以上的调制的系统中, 对相位噪声的性能要求较高, 则一般设计成PMOS结构.
评论2
楼主 2009/1/18 13:06:31
图2. NMOS型VCO
一般判断NMOS型VCO是否起振的条件为Rp-2/gm>0, Rp为平行谐振回路的总阻抗(Rl//Rc//Rother), gm为单个NMOS管子开环时的gm,
判断bipolar型VCO是否起振的条件为Rp-1/gm>0, 注意与上式的区别, gm只要大于1/Rp即可起振, 而NMOS型, gm要大于2/Rp才能起振, 也就是说相同的振荡频率, 振荡范围, bipolar型VCO所需要的功率消耗是mos的一半, 这也是为什么在高频振荡电路中, 现在还往往选用bipolar型VCO结构.
现在最流行的设计结构即图3所示, 笔者在VCO设计中, 有一定的经验和专利, 如果详细谈VCO的设计的话, 可能篇幅会很长, 这里主要谈一下其设计要点.
1) 关于inductor的设计
一般受process工艺的限制, ind的选用也有诸多限制, 比如没有全差分型的ind, 或者ind的寄生电阻值较大, 导致Rp变大, 增加设计难度. 如果有条件设计ind的话, 我们会碰到如何对ind参数抽出及仿真的问题, 这里我会另设一篇文章专门谈谈ind的设计, 等效电路建立, 参数提取,以及如何通过S参数测试实际的电感值和Q值, R值.
总的来说, 在设计VCO的时候, 最好对ind先进行AC仿真, 了解你所使用的ind的Q曲线, freq曲线等特性.
楼主 2009/1/18 13:07:07
基极电容可是使vco振荡信号幅度加大, 使其在非放大区也能工作. 电容要取适当, 太大相当于增加寄生电容, 频率下降, 太小隔离作用减小, 输出信号幅度减少.
3) 关于varactor
Varactor一般也分MOS型和PN型, MOS型一般可变范围在-0.5-+0.5V, 变化率较陡, 范围较窄, 而PN型一般在0-Vdd之间都变法, 范围较宽, 但是PN型由于要反向加偏压的缘故, 需要与其串接一个电容(直流隔离), 这个电容的大小又反过来影响了varactor的可变范围. PN还有一个缺点,就是它的温度特性要比MOS来的大, 也就是用它来设计的VCO的温度特性需要特别注意, 如果过大, 则需要采取一些温度补偿措施来防止温度变化中PLL的失锁问题的出现.
这里还有一点需要注意, 从Vctrl端看VCO, 往往存在较大的寄生电容, 所以在设计PLL的环形滤波器时, 需要把其考虑进去.
