壓控振蕩器(VCO)的設(shè)計

壓控振蕩器(以下簡稱VCO)已經(jīng)成為當(dāng)今無線收發(fā)器系統(tǒng)中不可缺少的模塊, 它是鎖相環(huán)中最重要的block, 他的噪聲性能直接決定了PLL輸出相位噪聲的噪聲性能. 有關(guān)PLL整體的分析和設(shè)計, 我們將在后期重點討論. 這里先重點討論一下VCO的理論, 設(shè)計以及對于廣大初學(xué)者最為關(guān)心的設(shè)計注意點.

根據(jù)參考書的理論, 振蕩器其實就是帶有”設(shè)計缺陷”的放大器, 分析振蕩器原理主要有兩個方法, 第一. 負(fù)反饋理論

ABS(H(jw))>1, 并且deg(H(jw)) =180度, 注意, 這里180度指的是反饋回路是與輸入信號相減再輸入到放大器A中的, 而放大器A的增益絕對值實際上要至少要為1dB, 而不是理論上的0dB.

第二, 負(fù)阻抗分析法, 這種方法原理簡單, 形象明了, 不僅用于振蕩器分析, 也經(jīng)常用于帶有反饋結(jié)構(gòu)電路的振蕩與否的分析.

振蕩器常用的類型有環(huán)形振蕩器, LC振蕩器, 前者主要應(yīng)用于低頻模擬設(shè)計中, 今天我們主要談一下LC振蕩器的設(shè)計, 現(xiàn)在IC芯片設(shè)計中, 比較流行的LC差分結(jié)構(gòu), 核心差分管可以是MOS, 也可以是bipolar, biploar結(jié)構(gòu)一般頻率設(shè)計的可以較高, 相同電流下易起振(gm較大) , 而MOS管還可以分為NMOS型和PMOS型, 在CMOS工藝下, 比如在64QAM以上的調(diào)制的系統(tǒng)中, 對相位噪聲的性能要求較高, 則一般設(shè)計成PMOS結(jié)構(gòu).

圖2. NMOS型VCO

一般判斷NMOS型VCO是否起振的條件為Rp-2/gm>0, Rp為平行諧振回路的總阻抗(Rl//Rc//Rother), gm為單個NMOS管子開環(huán)時的gm,

圖3 bipolar LC VCO

判斷bipolar型VCO是否起振的條件為Rp-1/gm>0, 注意與上式的區(qū)別, gm只要大于1/Rp即可起振, 而NMOS型, gm要大于2/Rp才能起振, 也就是說相同的振蕩頻率, 振蕩范圍, bipolar型VCO所需要的功率消耗是mos的一半, 這也是為什么在高頻振蕩電路中, 現(xiàn)在還往往選用bipolar型VCO結(jié)構(gòu).

現(xiàn)在最流行的設(shè)計結(jié)構(gòu)即圖3所示, 筆者在VCO設(shè)計中, 有一定的經(jīng)驗和專利, 如果詳細(xì)談VCO的設(shè)計的話, 可能篇幅會很長, 這里主要談一下其設(shè)計要點.

1) 關(guān)于inductor的設(shè)計

一般受process工藝的限制, ind的選用也有諸多限制, 比如沒有全差分型的ind, 或者ind的寄生電阻值較大, 導(dǎo)致Rp變大, 增加設(shè)計難度. 如果有條件設(shè)計ind的話, 我們會碰到如何對ind參數(shù)抽出及仿真的問題, 這里我會另設(shè)一篇文章專門談?wù)刬nd的設(shè)計, 等效電路建立, 參數(shù)提取,以及如何通過S參數(shù)測試實際的電感值和Q值, R值.

總的來說, 在設(shè)計VCO的時候, 最好對ind先進(jìn)行AC仿真, 了解你所使用的ind的Q曲線, freq曲線等特性.

2) 圖3中基極電容的作用

基極電容可是使vco振蕩信號幅度加大, 使其在非放大區(qū)也能工作. 電容要取適當(dāng), 太大相當(dāng)于增加寄生電容, 頻率下降, 太小隔離作用減小, 輸出信號幅度減少.

3) 關(guān)于varactor

Varactor一般也分MOS型和PN型, MOS型一般可變范圍在-0.5-+0.5V, 變化率較陡, 范圍較窄, 而PN型一般在0-Vdd之間都變法, 范圍較寬, 但是PN型由于要反向加偏壓的緣故, 需要與其串接一個電容(直流隔離), 這個電容的大小又反過來影響了varactor的可變范圍. PN還有一個缺點,就是它的溫度特性要比MOS來的大, 也就是用它來設(shè)計的VCO的溫度特性需要特別注意, 如果過大, 則需要采取一些溫度補償措施來防止溫度變化中PLL的失鎖問題的出現(xiàn).

這里還有一點需要注意, 從Vctrl端看VCO, 往往存在較大的寄生電容, 所以在設(shè)計PLL的環(huán)形濾波器時, 需要把其考慮進(jìn)去