一種具有溫度補償效應的環形振蕩器設計

汪妍君

摘 要：文章介紹了一種基于0.35 μm標準CMOS工藝實現的三級差分環形壓控振蕩器。仿真結果表明，2.5 V電源電壓供電時，振蕩器中心頻率為315 MHz，工作電流為330 uA，電路功耗僅為825 uW。仿真溫度范圍為-30 ～80 ℃，輸出頻率的中心頻率為295 ～328 MHz，頻率變化小于1 000 ppm。本設計可極大的改善由于溫度引起的振蕩器頻率嚴重變化的影響，可應用于鎖相環和頻率綜合器設計中。

關鍵詞：CMOS環形振蕩器；低功耗振蕩器；溫度補償；鎖相環

中圖分類號：TN432 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）24-0013-02

1 概 述

振蕩器是能夠通過自激方式使自身的輸出信號按固定周期變化的電路。振蕩器作為頻率產生源，是大多數電子系統的重要組成部分。常見的振蕩器有LC振蕩器，環形振蕩器等。LC振蕩器通常所需版圖面積較大且品質因素較低。相對于LC振蕩器，環形振蕩器具有較寬的調節范圍，功耗低，集成度高，較高的相位噪聲等優點。

本振蕩器設計以傳統的環形振蕩器為基礎，并對傳統環形振蕩器進行了溫度補償。

2 電路設計

2.1 差分輸入輸出延時模塊（VCO）

差分輸入輸出延時模塊，如圖1所示。

差分輸入輸出延時模塊（VCO）采用三級差分延時單元1]，有利于降低電路的噪聲。對稱負載由一個二極管連接的PMOS管和一個相同尺寸，偏置于Vctr的PMOS器件構成[2]。

電路工作時，使上方PMOS中的控制管（M22M26）處于深線性區，Vctrl通過控制其柵壓來改變其電阻。由于：

f∞

R=

R

C=Cg28+Cg22+Cd22+Cd30

R28遠大于，因此：

f∞

Vctrl線性改變頻率f。

固定PMOS負載（M28M27）給電路提供一個最大負載電阻，以防止Vctrl出現尖銳脈沖時，PMOS控制管截止引起壓控振蕩器停振。

2.2 偏置電路模塊（Bias）

偏置電路模塊示意圖如圖2所示。

偏置電路模塊（Bias）為差分輸入輸出延時模塊的尾電流源提供偏置電壓，控制差分延時級的輸出擺幅。本文中的偏置電路參考了文獻[3]的設計，采用PMOS串聯的方式，強制M15M13處于線性狀態，起到電阻的作用，同時也與壓控振蕩器部分結構上匹配。當Vctrl減小時，鏡像電流Ib也相應增大。這樣有兩方面好處，一是防止增益變化過大導致壓控振蕩器停振，另一方面擺幅變化減小，較小的擺幅變化減小了整形環節的負擔。

2.3 帶隙基準模塊（Bandgap）

帶隙基準模塊示意圖，如圖3所示。

帶隙基準模塊（Bandgap）為差分輸入輸出延時模塊提供控制電壓，并通過對控制電壓的調節對振蕩器輸出頻率進行溫度補償。

左側產生正溫度系數電流，右側產生負溫度系數，中間通過上方PMOS進行電流疊加，最終在下方電阻上體現Vctrl。

對于正溫度系數產生，有：IPTAP=ln（n）

負溫度系數產生，有：ln（）=I

求導，可得：=

由此可知，當IVT ，<0。滿足條件，即可獲得CTAT電流，且可以通過調節R2調節其斜率。

進而得到：

Vctrl=（IPTATm2+IPTATm1）R3

其中，m1，m2為鏡像電流各自的鏡像比值。通過調節R1R2R3m1m2就可以從多方面調節Vctrl的溫度補償特性及其大小。

2.4 整形模塊（Shape）

整形模塊（Shape）用于形成方波。將環形振蕩器部分的得到的雙端差分信號轉為單端信號，再經過三級反相器獲得比較好的方波信號。

3 整體電路仿真結果

在華潤上華0.35μm工藝下，利用華大九天EDA工具進行了版圖設計，并對本設計進行了后仿真驗證。

仿真得到在三種不同工藝角下，環形振蕩器頻率與溫度的關系。在電源電壓為2.5 V的tt工藝下，溫度從-30～80 ℃變化時，輸出頻率的中心頻率為295 ～328 MHz。在電源電壓為2.5 V的ss工藝下，溫度從-30～80 ℃變化時，輸出頻率的中心頻率為222～250 MHz。在電源電壓為2.5 V的ff工藝下，溫度從-30～80 ℃變化時，輸出頻率的中心頻率為390～442 MHz。由此可得，當溫度從-30～80 ℃變化時，在三種工藝角下的頻率變化都小于1 000 ppm，說明本設計起到了極好的溫度補償效果。

4 結 語

采用0.35μm標準CMOS工藝，實現了中心頻率為315 MHz的三級差分環形壓控振蕩器。仿真結果表明，2.5 V電源電壓供電時，振蕩器中心頻率為315 MHz，工作電流為330 uA，電路功耗僅為825 uW。仿真溫度范圍為-30～80 ℃，輸出頻率的中心頻率為295～328 MHz，頻率變化小于1 000 ppm。因此本設計可極大地改善由于溫度引起的振蕩器頻率嚴重變化的影響。設計的版圖尺寸為116μm*100μm。該設計可應用于鎖相環和頻率綜合器設計中。

參考文獻：

[1] Razavi Behzad.陳貴燦（譯）.Design of analog CMOS integrated circuit[M].西安：西安交通大學出版社，2003.

[2] 謝連波，桑紅石，方海濤，等.低功耗差分環形壓控振蕩器設計[J].微電子學與計算機，2013，（5）.

[3] Honghui Deng， Yongsheng Yin， Gaoming Du. Phase Noise Analysis and Design of CMOS Differential Ring VCO[M].The Ninth International Conference on Electronic Measurement & Instruments， 2009.