一個低抖動比1 GHz環形VCO的設計與實現*

田 穎 ，徐江濤

(1.天津大學仁愛學院 信息工程系,天津 301636;2.天津大學 電子信息工程學院，天津 300072)

壓控振蕩器(VCO)是鎖相環系統中的核心元件，很大程度上決定了鎖相環的性能(包括輸出頻率和噪聲性能)[1]。環形VCO由于具有易集成、功耗低以及調諧范圍大等優點而被廣泛應用于目前的集成電路模塊中。常見的應用領域包括時鐘恢復電路、片上時鐘產生電路，以及芯片制造公司用于評估門級延遲和速度功耗積以篩選不合格的晶圓等[2-5]。但是，由于片上環形VCO不僅受內部器件噪聲影響，還受耦合到電源和襯底中的由周圍數字電路開關引起的噪聲影響，因此，環形VCO的相位噪聲特性較差。如何優化噪聲特性、改善延時單元結構一直是國內外學者研究的熱點[7-10]。

1 VCO相位噪聲分析

振蕩器的數學模型是一個時變的非線性系統，如圖1所示。模型中所用電路為經典的ECL結構，其理論基礎為時域分析方法。

圖1給出了Weigandt模型所研究的差分延遲單元的結構。在一階時域抖動分析中，把輸出端電壓從開始轉變到轉變為0之間的時間計做單級延遲時間，如圖2所示。如果每級延遲單元貢獻固定的延遲時間和時間誤差分別用td和 △τ表示，則：

其中，Vswing是延遲單元的單端擺幅，CL是輸出端的總負載電容，Ictrl是尾電流源電流，Ictrl/CL稱為翻轉速度(slew rate)。由該單級延遲單元所引起的抖動等于輸出電壓的標準偏差除以輸出信號的轉換速率的平方，即：

2 改良的VCO延遲單元結構

考慮到影響VCO噪聲特性的因素和滿足VCO工作頻率的要求，在Weigandt模型基礎上采用了一種新型的結構，如圖3所示。

系統電源電壓要求為1.8 V，為了擴大輸出擺幅，移除尾電流源，則此時：

輸出擺幅相比原來增加了M5的漏源電壓(大約為0.35 V)，使得噪聲電壓與輸出電壓之比減小，即時域分析中延遲誤差與延遲周期之比減小了。

在一階分析中，可認為單級延時誤差 △τrms與單級延時td的比與相位噪聲方差 △vrms與輸出擺幅 Vswing的比近似相同，所以有：

去掉尾電流源以后，負載電阻M3和M4的柵極電壓作為電流控制信號。同時，為了提高VoP和VoN的充放電速度以及對稱性，在輸出點增加了鉗位管M7、M8和正反饋管M5、M6。該結構的工作原理如下：

(1)輸入差分對管M1、M2可以較好地抑制輸入共模噪聲和由電源線干擾引入的噪聲。M3、M4柵極電壓受偏置電路生成的Vctrl控制，作為差分對管的有源負載，可以抑制器件的1/f噪聲。另外，通過改變M3、M4的寬長比可以控制M1、M2中的電流。

(2)M7和M8管柵極和源級連在一起，即VGS=0。對于增強型工藝，源極和漏極之間有兩個背靠背的PN結。這時，不管VDS極性如何，總有一個PN結處于反偏狀態，源漏之間沒有導電溝道，即IDS=0。在延時單元中，M7、M8組成交叉耦合的二極管，使單級輸出擺幅VoP-VoN固定，從而起到限制輸出信號擺幅的作用，使延時單元對共模噪聲不敏感，既穩定了延遲時間，也提高了系統的線性度。

(3)M5和M6耦合對管構成了正反饋結構。如M5把VoP作為柵極電壓，當 VoP增加時，M5中電流 IDS增加，M7中無電流，M3中的電流不變，則流經M1中的電流增加，故VoN變小。也就是說，M5與M3管并聯增加了輸出轉換時的增益，從而使得輸出信號的上升沿和下降沿變得更快，輸出波形的對稱化和對電源電壓的不敏感特性更好地改善了噪聲特性。

3 仿真、流片與測試

本項目中VCO集成在鎖相環模塊中，其輸出作為CMOS圖像傳感器芯片的片上時鐘。由于芯片中VCO周圍分布著大量的數字電路，所以抗干擾特性尤為重要。系統要求VCO穩定輸出頻率大于800 MHz，且抖動比盡可能小。

利用 SpectreRF工具（Cadence軟件）對 VCO電路進行PSS分析，其結果如圖4所示。由圖中可見，當控制電壓在30 μV～800 mV時，輸出振蕩頻率線性地從740 MHz～1.3 GHz變化，VCO增益約為7×105Hz/V。

圖5顯示了VCO輸出波形的時域特性。與圖2相比，VCO輸出擺幅變大，且轉換速率變得更陡。由式（2）和式（4）可知，VCO噪聲特性得到較大改善。Pnoise分析結果如圖6所示。

集成了該VCO的鎖相環Die交送天津中芯國際集成電路制造公司進行流片。對VCO輸出頻率先分頻再測試，圖7為分頻后頻率為20 MHz時示波器顯示的圖像。由圖中可知，抖動比在可接受的范圍內。

本設計的壓控振蕩器以ECL延時單元為基礎，通過Weigandt噪聲分析，采用了一種新型延時單元結構。該結構在1.8 V工藝基礎上實現了與CMOS標準工藝完全兼容的高速VCO，并且其抖動比滿足CMOS圖像傳感器系統的要求。

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