四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 殷萬君

基于MOS工藝的壓控振蕩器的設(shè)計(jì)

四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 殷萬君

壓控振蕩器是電子電路中應(yīng)用廣泛的一種電路，隨著集成電路的發(fā)展，在設(shè)計(jì)MOS型壓控振蕩器時(shí)，需要考慮其應(yīng)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(jù)CP/LPF輸出的包含參考信號(hào)與反饋信號(hào)頻率或相位差的直流電壓Vctrl，輸出對(duì)應(yīng)頻率的振蕩信號(hào)。壓控振蕩器主要分為兩大類：環(huán)形振蕩器和LC振蕩器。

環(huán)形振蕩器（ring-oscillator）是由若干級(jí)增益電路構(gòu)成的閉環(huán)環(huán)路，它結(jié)構(gòu)簡單，易于集成，可調(diào)頻率（tuning range）范圍大，能實(shí)現(xiàn)多相位輸出，其起振條件必須滿足巴克豪森準(zhǔn)則：信號(hào)的總相移為360°或頻率相關(guān)的相移為180°；閉環(huán)增益必須大于或等于單位一。值得注意的是，巴克豪森準(zhǔn)則是環(huán)路起振的必須但不充分條件[5]。

圖1 環(huán)形振蕩器線性模型

為了說明如何將巴克豪森準(zhǔn)則具體應(yīng)用到電路設(shè)計(jì)中時(shí)，考慮圖1所示的環(huán)形振蕩器線性模型。設(shè)環(huán)路有n級(jí)增益電路，根據(jù)巴克豪森準(zhǔn)則第一個(gè)條件，則每級(jí)的頻率相關(guān)的相移應(yīng)該是180°/n，則發(fā)生振蕩的頻率為：

則：

進(jìn)而計(jì)算得到每級(jí)增益A0。理論上，這樣設(shè)計(jì)的環(huán)形振蕩器就滿足了巴克豪森原則。

當(dāng)設(shè)計(jì)的環(huán)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(xiàn)[13]中介紹了常見的壓控環(huán)形振蕩器結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)最簡單的一種壓控環(huán)形振蕩器是由反相器鏈構(gòu)成的單端壓控振蕩器。其優(yōu)點(diǎn)是可調(diào)頻率范圍很寬，電路面積小，全數(shù)字電路路結(jié)構(gòu)，易于標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。其缺點(diǎn)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(fù)載型單端壓控振蕩器等。

圖2 單端壓控振蕩器的基本實(shí)現(xiàn)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(jí)輸出端串聯(lián)的MOS管的導(dǎo)通電阻，進(jìn)而充放電常數(shù)，達(dá)到改變輸出頻率的目的。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓擺幅大，缺點(diǎn)是當(dāng)控制電壓很小時(shí)，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(dá)改變輸出頻率的目的。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是可以靈活的改變輸出頻率。

可變負(fù)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(fù)載從串聯(lián)在環(huán)路中改為并聯(lián)在環(huán)路每個(gè)反相器的輸出端，避免了對(duì)最大振蕩頻率的影響。

在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)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(shí)鐘產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)[D].西南交通大學(xué),2014.

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

[3]李天望,曾曉軍,洪志良.1V 2.5GHz壓控振蕩器設(shè)計(jì)[J].半導(dǎo)體學(xué)報(bào),2003(01).

本文為2015年四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級(jí)科學(xué)項(xiàng)目智能密碼鎖的研究成果。