压控振荡器(VCO)的设计

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.

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,

图3 bipolar LC VCO

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.

2) 图3中基极电容的作用

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