基于標準CMOS工藝壓控振蕩器（VCO）設計

南志堅　劉鴻旗

摘 要：近年來隨著無線通信系統的迅猛發展和CMOS工藝的不斷進步，對CMOS 無線射頻收發機要求越來越高。低成本、小型化、寬頻帶、低噪聲、更高的工作頻段是未來射頻收發機設計所要努力的方向。

壓控振蕩器（voltage-controlled oscillator， VCO）作為頻率綜合器的關鍵組成部分，對頻率綜合器的頻率覆蓋范圍、相位噪聲、功耗等重要性能都有直接影響，文章經過對VCO性能參數的分析，介紹了一些壓控振蕩器性能優化方法。

關鍵詞：振蕩器 施密特觸發器 環形振蕩器 CSA

中圖分類號：TD61 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）01（b）-0123-02

壓控振蕩器（voltage-controlled oscillator， VCO）是一種以電壓輸入來控制振蕩頻率的電子振蕩電路，是現代無線電通信系統的重要組成部分。在當今集成電路向尺寸更小、頻率更高、功耗更少、價格更低發展的趨勢下，應用標準工藝設計生產高性能的壓控振蕩器已是射頻集成電路中的一個重要課題。尤其在通信系統電路中，壓控振蕩器（VCO）是其關鍵部件，可以毫不夸張地說在電子通信技術領域，VCO幾乎與電流源和運放具有同等重要地位。

1 壓控振蕩器（VCO）原理

1.1 概述

壓控振蕩器是在振蕩器的基礎上引入控制端，實現電壓控制振蕩頻率的功能。振蕩器是通過自激方式把直流電能變換為交流電能的一種電子線路。構成VCO的第一步，是實現一個振蕩器，然后添加一個中間級使輸入電壓可以控制振蕩頻率（但在有些情況，控制信號可能為電流）。人們通常把壓控振蕩器稱為調頻器，用以產生調頻信號。

1.2 壓控振蕩器基本架構和原理

壓控振蕩器主要有環形振蕩器和負阻型振蕩器兩種結構，環形振蕩器具有線性度好，功耗小，成本低，易于集成，調節范圍寬，結構簡單易于實現等優點，因此在時鐘類型的應用和低中頻通信系統中得到了廣泛的應用。一般振蕩頻率在1GHz以下時，電路會采用環形結構，振蕩頻率高于1GHz時，負阻型壓控振蕩器是主流結構。

1.3 VCO性能指標

VCO是一個電壓/頻率轉換電路，在環路中作為被控振蕩器，它的輸出頻率應隨控制電壓線性地變化。一個理想的VCO其輸出頻率和輸入頻率的關系為：

ωout=ω0+KVCOVcont （1）

式中，ω0為控制電壓Vcont為零時的振蕩器的固定頻率；KVCO為VCO的增益或靈敏度。

可以推導出VCO的傳輸函數：

（2）

由式（2）可以得出，當VCO被放在鎖相環中時，其輸出經分頻器后接到鑒相器的輸入，對鑒相器輸出起作用的不是其頻率，而是相位。所以在鎖相環中VCO通常被看作輸入為控制電壓，輸出為相位的系統。

2 振蕩器結構的選擇

2.1 作為反饋系統的振蕩器

該模型的閉環傳輸函數可以寫成：

（3）

注意到若環路增益印βH（s=jω0）=-1。因此，電路可以放大其自身在頻率范圍的噪聲。理論上，該頻率上的振幅可以為無窮大。而事實上，較大的振幅降低了環路增益βH（s=jω0），最終使得振蕩器在某一個振幅上建立起穩態的振蕩。上述條件就是“巴克豪森準則”即式4、5所示：

（4）

（5）

2.2 環型振蕩器

一個環型振蕩器至少包含三個增益級，每一增益級引入一個附加的極點，因而在閉環傳輸函數中引入一個90度的相移。這樣，當arg（βH（jω0））=-1800時才可能有βH（jω0）的絕對值大于1，從而滿足巴克豪森準則。環型振蕩器等效反饋模型如圖1所示。

然而，環型振蕩器無須使用任何諸如電感和電容之類的無源器件這一主要優點也是其主要缺點：由于沒有通過濾波過程來對輸出信號進行噪聲整形，因此與LC振蕩器相比，環型振蕩器通常都表現出很差的相位噪聲性能。環型振蕩器主要用于諸如串行數據通信的時鐘恢復，或者片上時鐘分配，而對于射頻應用場合則通常需要一種比環型振蕩器所能提供的相位噪聲性能更好的振蕩器。

3 環形壓控振蕩器的電路選擇

本文中選用的是CSA（Current Steering Amplifier）型壓控振蕩器即電流控制放大器環形振蕩器，因為這種三級環形振蕩結構簡單，可以降低設計和維護的難度。另外本設計中的頻率也不是很高，CSA結構的VCO足以滿足性能要求。如果要提供振蕩頻率，只要提高每級的電流即可，當然功耗也會隨之增加。前面部分的電路為電壓電流轉換電路，為了讓電路更簡單，且容易設計，本文去掉這部分電路，直接給后面的三級環形振蕩器的PMOS管加偏置電壓，使其產生偏置電流來調節頻率。

4 優化后的整體電路

通過對施密特觸發器電路的調試，我們得到了標準的方波輸出，為了優化電路，CSV結構的VCO電路與施密特觸發器電路連接起來進行整體調試。

對于施密特觸發器有：

（6）

（7）

其中VT+稱為正向閾值電壓，VT-稱為負向閾值電壓，對于給定的R1/R2，VT+、VT-具有相同的變化趨勢，即當VTH值變大時VT+、VT-也變大，則輸出矩形波的高電平時間就會變小，占空比變小，反之則變大。故通過調節VTH可以改變占空比。

下面討論VTH與反相器各管的寬長比的關系，由于VTH為反相器輸出電壓發生轉換時的輸入電壓，所以當反相器的輸入為VTH時，NMOS和PMOS都處于飽和的過渡狀態，此時流入NMOS和PMOS的電流相等IDN=IDP。當輸入電壓VTH1略大于VTH時，則電路有使IDN>IDP的變化趨勢，為了抵消這種趨勢從新建立起兩管都處于飽和區的狀態，應降低NMOS的寬長比，使得IDN下降，最終使IDN=IDP，此時在輸入電壓為VTH1的情況下各管都處在飽和的中間狀態，故VTH1為新的閾值電壓值，所以得出結論是如果要使VTH增大可以降低NMOS的寬長比，反之則增大NMOS的寬長比。

經過反復的修改和仿真，最終我們確定了反相器中NMOS的寬長比為3 mm/0.35 mm，PMOS的寬長比為0.7/0.35。由網表進行模擬驗證后，得到了最終優化后的輸出波。

經過優化后輸出頻率約為625 MHz，輸出擺幅約為1.75 V。頻率和擺幅是符合設計要求，而且在增加了施密特波形轉換電路后三級CSA輸出波形VCO的輸出由正弦波輸出轉換為方波，使VCO適用于更多電路中。就此我們得到了帶施密特波形轉換電路的三級CSA VCO電路。

本文探究了壓控振蕩器的基本原理和電路拓撲結構，并采用Chartered 0.35 mm N阱CMOS工藝設計了一個CSA結構的VCO，該結構的電路簡單，工作頻率高，控制電壓與頻率的轉換關系線性度很好，頻帶寬。利用施密特波形轉換電路對CSA結構的VCO進行優化，得到了輸出頻率約為625 MHz，輸出擺幅約為1.75V的VCO電路。

參考文獻

[1] 曹旭.寬帶CMOS壓控振蕩器研究及設計[D].杭州電子科技大學，2013.

[2] 陳焱.全集成寬帶CMOS壓控振蕩器的研究與設計[D].蘇州大學，2009.

[3] 傅開紅.基于CMOS工藝壓控振蕩器和低噪聲放大器研究[D].杭州電子科技大學，2009.endprint

摘 要：近年來隨著無線通信系統的迅猛發展和CMOS工藝的不斷進步，對CMOS 無線射頻收發機要求越來越高。低成本、小型化、寬頻帶、低噪聲、更高的工作頻段是未來射頻收發機設計所要努力的方向。

壓控振蕩器（voltage-controlled oscillator， VCO）作為頻率綜合器的關鍵組成部分，對頻率綜合器的頻率覆蓋范圍、相位噪聲、功耗等重要性能都有直接影響，文章經過對VCO性能參數的分析，介紹了一些壓控振蕩器性能優化方法。

關鍵詞：振蕩器 施密特觸發器 環形振蕩器 CSA

中圖分類號：TD61 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）01（b）-0123-02

壓控振蕩器（voltage-controlled oscillator， VCO）是一種以電壓輸入來控制振蕩頻率的電子振蕩電路，是現代無線電通信系統的重要組成部分。在當今集成電路向尺寸更小、頻率更高、功耗更少、價格更低發展的趨勢下，應用標準工藝設計生產高性能的壓控振蕩器已是射頻集成電路中的一個重要課題。尤其在通信系統電路中，壓控振蕩器（VCO）是其關鍵部件，可以毫不夸張地說在電子通信技術領域，VCO幾乎與電流源和運放具有同等重要地位。

1 壓控振蕩器（VCO）原理

1.1 概述

壓控振蕩器是在振蕩器的基礎上引入控制端，實現電壓控制振蕩頻率的功能。振蕩器是通過自激方式把直流電能變換為交流電能的一種電子線路。構成VCO的第一步，是實現一個振蕩器，然后添加一個中間級使輸入電壓可以控制振蕩頻率（但在有些情況，控制信號可能為電流）。人們通常把壓控振蕩器稱為調頻器，用以產生調頻信號。

1.2 壓控振蕩器基本架構和原理

壓控振蕩器主要有環形振蕩器和負阻型振蕩器兩種結構，環形振蕩器具有線性度好，功耗小，成本低，易于集成，調節范圍寬，結構簡單易于實現等優點，因此在時鐘類型的應用和低中頻通信系統中得到了廣泛的應用。一般振蕩頻率在1GHz以下時，電路會采用環形結構，振蕩頻率高于1GHz時，負阻型壓控振蕩器是主流結構。

1.3 VCO性能指標

VCO是一個電壓/頻率轉換電路，在環路中作為被控振蕩器，它的輸出頻率應隨控制電壓線性地變化。一個理想的VCO其輸出頻率和輸入頻率的關系為：

ωout=ω0+KVCOVcont （1）

式中，ω0為控制電壓Vcont為零時的振蕩器的固定頻率；KVCO為VCO的增益或靈敏度。

可以推導出VCO的傳輸函數：

（2）

由式（2）可以得出，當VCO被放在鎖相環中時，其輸出經分頻器后接到鑒相器的輸入，對鑒相器輸出起作用的不是其頻率，而是相位。所以在鎖相環中VCO通常被看作輸入為控制電壓，輸出為相位的系統。

2 振蕩器結構的選擇

2.1 作為反饋系統的振蕩器

該模型的閉環傳輸函數可以寫成：

（3）

注意到若環路增益印βH（s=jω0）=-1。因此，電路可以放大其自身在頻率范圍的噪聲。理論上，該頻率上的振幅可以為無窮大。而事實上，較大的振幅降低了環路增益βH（s=jω0），最終使得振蕩器在某一個振幅上建立起穩態的振蕩。上述條件就是“巴克豪森準則”即式4、5所示：

（4）

（5）

2.2 環型振蕩器

一個環型振蕩器至少包含三個增益級，每一增益級引入一個附加的極點，因而在閉環傳輸函數中引入一個90度的相移。這樣，當arg（βH（jω0））=-1800時才可能有βH（jω0）的絕對值大于1，從而滿足巴克豪森準則。環型振蕩器等效反饋模型如圖1所示。

然而，環型振蕩器無須使用任何諸如電感和電容之類的無源器件這一主要優點也是其主要缺點：由于沒有通過濾波過程來對輸出信號進行噪聲整形，因此與LC振蕩器相比，環型振蕩器通常都表現出很差的相位噪聲性能。環型振蕩器主要用于諸如串行數據通信的時鐘恢復，或者片上時鐘分配，而對于射頻應用場合則通常需要一種比環型振蕩器所能提供的相位噪聲性能更好的振蕩器。

3 環形壓控振蕩器的電路選擇

本文中選用的是CSA（Current Steering Amplifier）型壓控振蕩器即電流控制放大器環形振蕩器，因為這種三級環形振蕩結構簡單，可以降低設計和維護的難度。另外本設計中的頻率也不是很高，CSA結構的VCO足以滿足性能要求。如果要提供振蕩頻率，只要提高每級的電流即可，當然功耗也會隨之增加。前面部分的電路為電壓電流轉換電路，為了讓電路更簡單，且容易設計，本文去掉這部分電路，直接給后面的三級環形振蕩器的PMOS管加偏置電壓，使其產生偏置電流來調節頻率。

4 優化后的整體電路

通過對施密特觸發器電路的調試，我們得到了標準的方波輸出，為了優化電路，CSV結構的VCO電路與施密特觸發器電路連接起來進行整體調試。

對于施密特觸發器有：

（6）

（7）

其中VT+稱為正向閾值電壓，VT-稱為負向閾值電壓，對于給定的R1/R2，VT+、VT-具有相同的變化趨勢，即當VTH值變大時VT+、VT-也變大，則輸出矩形波的高電平時間就會變小，占空比變小，反之則變大。故通過調節VTH可以改變占空比。

下面討論VTH與反相器各管的寬長比的關系，由于VTH為反相器輸出電壓發生轉換時的輸入電壓，所以當反相器的輸入為VTH時，NMOS和PMOS都處于飽和的過渡狀態，此時流入NMOS和PMOS的電流相等IDN=IDP。當輸入電壓VTH1略大于VTH時，則電路有使IDN>IDP的變化趨勢，為了抵消這種趨勢從新建立起兩管都處于飽和區的狀態，應降低NMOS的寬長比，使得IDN下降，最終使IDN=IDP，此時在輸入電壓為VTH1的情況下各管都處在飽和的中間狀態，故VTH1為新的閾值電壓值，所以得出結論是如果要使VTH增大可以降低NMOS的寬長比，反之則增大NMOS的寬長比。

經過反復的修改和仿真，最終我們確定了反相器中NMOS的寬長比為3 mm/0.35 mm，PMOS的寬長比為0.7/0.35。由網表進行模擬驗證后，得到了最終優化后的輸出波。

經過優化后輸出頻率約為625 MHz，輸出擺幅約為1.75 V。頻率和擺幅是符合設計要求，而且在增加了施密特波形轉換電路后三級CSA輸出波形VCO的輸出由正弦波輸出轉換為方波，使VCO適用于更多電路中。就此我們得到了帶施密特波形轉換電路的三級CSA VCO電路。

本文探究了壓控振蕩器的基本原理和電路拓撲結構，并采用Chartered 0.35 mm N阱CMOS工藝設計了一個CSA結構的VCO，該結構的電路簡單，工作頻率高，控制電壓與頻率的轉換關系線性度很好，頻帶寬。利用施密特波形轉換電路對CSA結構的VCO進行優化，得到了輸出頻率約為625 MHz，輸出擺幅約為1.75V的VCO電路。

參考文獻

[1] 曹旭.寬帶CMOS壓控振蕩器研究及設計[D].杭州電子科技大學，2013.

[2] 陳焱.全集成寬帶CMOS壓控振蕩器的研究與設計[D].蘇州大學，2009.

[3] 傅開紅.基于CMOS工藝壓控振蕩器和低噪聲放大器研究[D].杭州電子科技大學，2009.endprint

摘 要：近年來隨著無線通信系統的迅猛發展和CMOS工藝的不斷進步，對CMOS 無線射頻收發機要求越來越高。低成本、小型化、寬頻帶、低噪聲、更高的工作頻段是未來射頻收發機設計所要努力的方向。

壓控振蕩器（voltage-controlled oscillator， VCO）作為頻率綜合器的關鍵組成部分，對頻率綜合器的頻率覆蓋范圍、相位噪聲、功耗等重要性能都有直接影響，文章經過對VCO性能參數的分析，介紹了一些壓控振蕩器性能優化方法。

關鍵詞：振蕩器 施密特觸發器 環形振蕩器 CSA

中圖分類號：TD61 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）01（b）-0123-02

壓控振蕩器（voltage-controlled oscillator， VCO）是一種以電壓輸入來控制振蕩頻率的電子振蕩電路，是現代無線電通信系統的重要組成部分。在當今集成電路向尺寸更小、頻率更高、功耗更少、價格更低發展的趨勢下，應用標準工藝設計生產高性能的壓控振蕩器已是射頻集成電路中的一個重要課題。尤其在通信系統電路中，壓控振蕩器（VCO）是其關鍵部件，可以毫不夸張地說在電子通信技術領域，VCO幾乎與電流源和運放具有同等重要地位。

1 壓控振蕩器（VCO）原理

1.1 概述

壓控振蕩器是在振蕩器的基礎上引入控制端，實現電壓控制振蕩頻率的功能。振蕩器是通過自激方式把直流電能變換為交流電能的一種電子線路。構成VCO的第一步，是實現一個振蕩器，然后添加一個中間級使輸入電壓可以控制振蕩頻率（但在有些情況，控制信號可能為電流）。人們通常把壓控振蕩器稱為調頻器，用以產生調頻信號。

1.2 壓控振蕩器基本架構和原理

壓控振蕩器主要有環形振蕩器和負阻型振蕩器兩種結構，環形振蕩器具有線性度好，功耗小，成本低，易于集成，調節范圍寬，結構簡單易于實現等優點，因此在時鐘類型的應用和低中頻通信系統中得到了廣泛的應用。一般振蕩頻率在1GHz以下時，電路會采用環形結構，振蕩頻率高于1GHz時，負阻型壓控振蕩器是主流結構。

1.3 VCO性能指標

VCO是一個電壓/頻率轉換電路，在環路中作為被控振蕩器，它的輸出頻率應隨控制電壓線性地變化。一個理想的VCO其輸出頻率和輸入頻率的關系為：

ωout=ω0+KVCOVcont （1）

式中，ω0為控制電壓Vcont為零時的振蕩器的固定頻率；KVCO為VCO的增益或靈敏度。

可以推導出VCO的傳輸函數：

（2）

由式（2）可以得出，當VCO被放在鎖相環中時，其輸出經分頻器后接到鑒相器的輸入，對鑒相器輸出起作用的不是其頻率，而是相位。所以在鎖相環中VCO通常被看作輸入為控制電壓，輸出為相位的系統。

2 振蕩器結構的選擇

2.1 作為反饋系統的振蕩器

該模型的閉環傳輸函數可以寫成：

（3）

注意到若環路增益印βH（s=jω0）=-1。因此，電路可以放大其自身在頻率范圍的噪聲。理論上，該頻率上的振幅可以為無窮大。而事實上，較大的振幅降低了環路增益βH（s=jω0），最終使得振蕩器在某一個振幅上建立起穩態的振蕩。上述條件就是“巴克豪森準則”即式4、5所示：

（4）

（5）

2.2 環型振蕩器

一個環型振蕩器至少包含三個增益級，每一增益級引入一個附加的極點，因而在閉環傳輸函數中引入一個90度的相移。這樣，當arg（βH（jω0））=-1800時才可能有βH（jω0）的絕對值大于1，從而滿足巴克豪森準則。環型振蕩器等效反饋模型如圖1所示。

然而，環型振蕩器無須使用任何諸如電感和電容之類的無源器件這一主要優點也是其主要缺點：由于沒有通過濾波過程來對輸出信號進行噪聲整形，因此與LC振蕩器相比，環型振蕩器通常都表現出很差的相位噪聲性能。環型振蕩器主要用于諸如串行數據通信的時鐘恢復，或者片上時鐘分配，而對于射頻應用場合則通常需要一種比環型振蕩器所能提供的相位噪聲性能更好的振蕩器。

3 環形壓控振蕩器的電路選擇

本文中選用的是CSA（Current Steering Amplifier）型壓控振蕩器即電流控制放大器環形振蕩器，因為這種三級環形振蕩結構簡單，可以降低設計和維護的難度。另外本設計中的頻率也不是很高，CSA結構的VCO足以滿足性能要求。如果要提供振蕩頻率，只要提高每級的電流即可，當然功耗也會隨之增加。前面部分的電路為電壓電流轉換電路，為了讓電路更簡單，且容易設計，本文去掉這部分電路，直接給后面的三級環形振蕩器的PMOS管加偏置電壓，使其產生偏置電流來調節頻率。

4 優化后的整體電路

通過對施密特觸發器電路的調試，我們得到了標準的方波輸出，為了優化電路，CSV結構的VCO電路與施密特觸發器電路連接起來進行整體調試。

對于施密特觸發器有：

（6）

（7）

其中VT+稱為正向閾值電壓，VT-稱為負向閾值電壓，對于給定的R1/R2，VT+、VT-具有相同的變化趨勢，即當VTH值變大時VT+、VT-也變大，則輸出矩形波的高電平時間就會變小，占空比變小，反之則變大。故通過調節VTH可以改變占空比。

下面討論VTH與反相器各管的寬長比的關系，由于VTH為反相器輸出電壓發生轉換時的輸入電壓，所以當反相器的輸入為VTH時，NMOS和PMOS都處于飽和的過渡狀態，此時流入NMOS和PMOS的電流相等IDN=IDP。當輸入電壓VTH1略大于VTH時，則電路有使IDN>IDP的變化趨勢，為了抵消這種趨勢從新建立起兩管都處于飽和區的狀態，應降低NMOS的寬長比，使得IDN下降，最終使IDN=IDP，此時在輸入電壓為VTH1的情況下各管都處在飽和的中間狀態，故VTH1為新的閾值電壓值，所以得出結論是如果要使VTH增大可以降低NMOS的寬長比，反之則增大NMOS的寬長比。

經過反復的修改和仿真，最終我們確定了反相器中NMOS的寬長比為3 mm/0.35 mm，PMOS的寬長比為0.7/0.35。由網表進行模擬驗證后，得到了最終優化后的輸出波。

經過優化后輸出頻率約為625 MHz，輸出擺幅約為1.75 V。頻率和擺幅是符合設計要求，而且在增加了施密特波形轉換電路后三級CSA輸出波形VCO的輸出由正弦波輸出轉換為方波，使VCO適用于更多電路中。就此我們得到了帶施密特波形轉換電路的三級CSA VCO電路。

本文探究了壓控振蕩器的基本原理和電路拓撲結構，并采用Chartered 0.35 mm N阱CMOS工藝設計了一個CSA結構的VCO，該結構的電路簡單，工作頻率高，控制電壓與頻率的轉換關系線性度很好，頻帶寬。利用施密特波形轉換電路對CSA結構的VCO進行優化，得到了輸出頻率約為625 MHz，輸出擺幅約為1.75V的VCO電路。

參考文獻

[1] 曹旭.寬帶CMOS壓控振蕩器研究及設計[D].杭州電子科技大學，2013.

[2] 陳焱.全集成寬帶CMOS壓控振蕩器的研究與設計[D].蘇州大學，2009.

[3] 傅開紅.基于CMOS工藝壓控振蕩器和低噪聲放大器研究[D].杭州電子科技大學，2009.endprint