基于MOS工藝的壓控振蕩器的設計

四川信息職業技術學院 殷萬君

基于MOS工藝的壓控振蕩器的設計

四川信息職業技術學院 殷萬君

壓控振蕩器是電子電路中應用廣泛的一種電路，隨著集成電路的發展，在設計MOS型壓控振蕩器時，需要考慮其應用場合和起振條件及輸出頻率。

壓控振蕩器；電路；頻率

壓控振蕩器的作用是根據CP/LPF輸出的包含參考信號與反饋信號頻率或相位差的直流電壓Vctrl，輸出對應頻率的振蕩信號。壓控振蕩器主要分為兩大類：環形振蕩器和LC振蕩器。

環形振蕩器（ring-oscillator）是由若干級增益電路構成的閉環環路，它結構簡單，易于集成，可調頻率（tuning range）范圍大，能實現多相位輸出，其起振條件必須滿足巴克豪森準則：信號的總相移為360°或頻率相關的相移為180°；閉環增益必須大于或等于單位一。值得注意的是，巴克豪森準則是環路起振的必須但不充分條件[5]。

圖1 環形振蕩器線性模型

為了說明如何將巴克豪森準則具體應用到電路設計中時，考慮圖1所示的環形振蕩器線性模型。設環路有n級增益電路，根據巴克豪森準則第一個條件，則每級的頻率相關的相移應該是180°/n，則發生振蕩的頻率為：

則：

進而計算得到每級增益A0。理論上，這樣設計的環形振蕩器就滿足了巴克豪森原則。

當設計的環路可以起振之后，就需要考慮如何改變振蕩頻率的問題。文獻[13]中介紹了常見的壓控環形振蕩器結構。

結構最簡單的一種壓控環形振蕩器是由反相器鏈構成的單端壓控振蕩器。其優點是可調頻率范圍很寬，電路面積小，全數字電路路結構，易于標準化設計。其缺點是工作頻率低，噪聲大。這種電路壓控頻率的方法有：MOS電阻型單端壓控振蕩器、電流饑餓型單端壓控振蕩器、可變負載型單端壓控振蕩器等。

圖2 單端壓控振蕩器的基本實現電路

MOS電阻型單端壓控振蕩器電路如圖2(a)所示，電路工作原理是通過電壓控制每一級輸出端串聯的MOS管的導通電阻，進而充放電常數，達到改變輸出頻率的目的。這種電路的優點是輸出電壓擺幅大，缺點是當控制電壓很小時，MOS管截止，電路不起振。

電流饑餓型單端壓控振蕩器電路圖如圖2(b)所示，電路工作原理是通過改變反相器的尾電流源的偏置電壓，來控制充放電的電流大小，到達改變輸出頻率的目的。這種電路的優點是可以靈活的改變輸出頻率。

可變負載型單端壓控振蕩器電路如圖2(c)所示，電路工作原理與MOS電阻型單端壓控振蕩器類似，它通過將可控負載從串聯在環路中改為并聯在環路每個反相器的輸出端，避免了對最大振蕩頻率的影響。

在實際應用中可以根據情況選擇不同的的振蕩電路。

[1]殷萬君.基于溫度的DRAM刷新時鐘產生電路設計[D].西南交通大學,2014.

[2]陳永潔,劉忠,危長明,王守軍.低相位噪聲CMOS環形壓控振蕩器的研究與設計[J].微電子學,2008(06).

[3]李天望,曾曉軍,洪志良.1V 2.5GHz壓控振蕩器設計[J].半導體學報,2003(01).

本文為2015年四川信息職業技術學院院級科學項目智能密碼鎖的研究成果。