关键字 |
| 锁相环(PLL)，压控振荡器(VCO)，运算跨导放大器(OTA)，低功耗，抖动 |
介绍 |
| CMOS压控振荡器(VCO)是锁相环的关键组成部分，它决定了锁相环的功耗和锁相环所占的面积。VCO是许多射频收发器的关键组件，通常与频率选择和信号生成等信号处理任务相关。今天的射频收发器需要可编程载波频率，并依赖于锁相环(PLL)来实现同样的功能。这些锁相环在反馈回路中嵌入一个不太精确的射频振荡器，其频率可以用控制信号控制。无线通信系统的收发器包括低噪声放大器、功率放大器、混频器、数字信号处理芯片、滤波器和锁相环 |
| 电压控制振荡器在通信系统中起着关键作用，提供数字电路定时和射频电路频率转换所需的周期信号。它们的输出频率是控制输入的函数，通常是电压。理想的压控电压振荡器是一种输出频率与其控制电压成线性函数的电路大多数应用要求振荡器是可调的，即其输出频率是控制输入的函数，通常是电压。 |
| 近年来，LC槽振荡器在低功耗的情况下表现出了良好的相位噪声性能。然而，也有一些缺点。首先，与环形振荡器(>50%)相比，lc振荡器的调谐范围(约10 - 20%)相对较低。因此，在工艺变化的情况下，输出频率可能会超出期望的范围。其次，振荡器的相位噪声性能在很大程度上取决于片上螺旋电感的质量因子对于大多数数字CMOS工艺，很难获得电感的质量因子大于3。因此，可能需要一些额外的处理步骤。最后，片上螺旋电感器占用了大量的芯片面积，通常在200 *200-300 * 300 m^2左右，从成本和成品率考虑，这是不可取的 |
| 然而，环形振荡器不具有LC振荡器所需的片上电感的复杂性。因此，芯片面积减少。除了宽广的调谐范围外;具有偶数延迟单元的环形振荡器可以产生正交相位输出。一般来说，环形振荡器的相位噪声性能要差得多。而且，在高振荡频率时，环形振荡器的功耗可能不低，这是电池供电设备的一个关键要求，而且环形振荡器的振荡频率不容易控制为了克服这些问题，我们研究了基于单端轨对轨运算跨导放大器(OTA)的VCO和基于伸缩OTA的VCO。最后根据实验结果对它们的性能进行了比较。 |
电路描述 |
| A.基于OTA的VCO |
| 基于OTA的VCO的工作原理类似于环形振荡器。图1所示。介绍了基于OTA的VCO的基本概念。传统的环形振荡器由约n个数字逆变器设计而成。图1a显示了(n)=3的传统拓扑结构。所提出的电路只需要一个单端OTA和一个简单的CMOS逆变器来提供振荡。添加了两个简单的CMOS逆变器来生成缓冲数字输出 |
| 我们提出的时钟发生器(或数字振荡器)如图2所示。该环形振荡器基本上由数字逆变器inv_1和X和Z节点之间的轨对轨OTA组成。OTA模拟了一个单位增益电压跟随器，并替换了图1a中的inv_A和inv_B这里，单位增益电压跟随器由OTA输出节点和OTA输入负节点之间的电流反馈来执行。 |
| B.基于伸缩OTA的VCO |
| 基于伸缩OTA的电流控制振荡器提供了适合于锁相环系统集成的所需特性。 |
| 1) OTA级:单端伸缩OTA电路图如图3所示。NMOS晶体管M0, M1形成输入差分对。M2和M3为输入对的级联器件在这个电流范围内，它们被偏向于饱和。PMOS晶体管M4至M7形成单端级联电流镜像负载。器件的尺寸是为了处理这种电流摆动和降低超驱动电压，以便OTA的输出摆动足以触发振荡。[3]由两个MOS晶体管的经典差分输入级设计的OTA(在饱和工作模式下)显示出跨导GM与I0的比例。 |
| 。基于上述考虑，OTA回转率也将与gm成正比，我们建议将振荡频率近似为与I0的根成正比。该ICDO的振荡频率可由OTA直流偏置电流控制。 |
| 2)偏置电流反射镜:高摆级联电流反射镜电路图如图4所示。NMOS晶体管MA-MD形成高顺应性级联电流镜像，用前级[3]的控制电流偏置OTA。ME是一个二极管连接的晶体管，它为MC和MD设置VGS，使它们在不同的Ictrl值饱和。 |
| 3)逆变级:两个逆变器级联的输出级电路图如图5所示。这些逆变器的尺寸保持最小，从而提高了速度并减少了芯片面积。CMOS晶体管M8, M9与M10, M11相同 |
| 要将该ICO集成到锁相环系统中，应先进行V转I转换阶段。一个简单的MOS器件在饱和区工作时产生与输入电压成比例的电流。这种漏极电流相对于输入电压变化的变化称为跨导。 |
| 高跨导器件将小的电压变化转化为大的输出电流，从而在所设计的ICO中引起高频振荡。所提出的VCO块的电气表示如图6所示。 |
 (1） |
仿真结果 |
| A.输出波形 |
| 图7为压控振荡器输入电压与输出频率的关系图。当控制电压在0V ~ 1.8V范围内变化时，电压会发生变化。设计的基于OTA的VCO振荡频率范围为25.70 MHz ~ 830 MHz。VCO (KVCO)的增益从图8所示的图表中计算，为293 MHz/ v。还可以看到，控制电压和输出频率在680到780 MHz的范围内呈线性变化。因此，最合适的锁相环控制电压偏置为0.65至1.2 V。 |
| 图8为输入控制电压为1V时，基于伸缩OTA的VCO输出波形。VCO的输出频率为2890MHz。 |
| 图9为压控振荡器输入电压与输出频率的关系图。当控制电压在0V ~ 1.8V范围内变化时，电压会发生变化。所设计的基于伸缩OTA的VCO振荡频率范围为2 MHz至3000 MHz。VCO (KVCO)的增益从图10所示的图表中计算出来，为2890 MHz/ v。还可以看到，控制电压和输出频率在430到1700 MHz的范围内呈线性变化。因此最合适的锁相环控制电压偏置为0.4 V至0.75V。 |
| B.性能比较 |
| 在本节中，我们预测了两种压控振荡器的主要性能，如i/p调谐范围，振荡频率范围，面积和功耗，并通过分析方法进行定性讨论。我们使用设备的最小通道长度和宽度。因此可以看出，通过这两种压控振荡器，我们可以实现锁相环的最小面积和宽调谐频率范围。此外，与基于OTA的VCO相比，基于伸缩OTA的VCO的功耗也降低了，如表I所示。 |
结论 |
| 本文通过设计实验和定性评价，比较了无电流压控振荡器和源耦合压控振荡器两种锁相环压控振荡器的性能。测试结果表明，基于伸缩OTA的VCO在功耗和频率范围可调方面优于基于OTA的VCO。 |
确认 |
| 任何成就都需要很多人的努力，这份工作也不例外。对直接或间接帮助过我的人表示感谢是我的首要职责。因此，我借此机会衷心感谢我们项目的负责人尊敬的NARESH PATEL教授，他在整个工作过程中给予了宝贵的指导和灵感，没有他的帮助，工作就不会有今天的样子。我也非常感谢工作坊、图书馆和系内其他相关人员的合作、帮助和指导。我也感谢我的同事们为项目的成功做出了良好的工作。 |
表格一览 |
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| 表1 |
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数字一览 |
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| 图1 |
图2 |
图3 |
图4 |
图5 |
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| 图6 |
图7 |
图8 |
图9 |
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参考文献 |
- HervBarthlemy, stephanie meillre和Sylvain Bourdel， ?基于单端轨对轨CMOS OTA的变频环形振荡器?中国科学院学报，Vol . 4, Page(s): 537- 40,2004
- 高丽·尚卡尔·辛格，德韦什·辛格，s·莫蒂，?用于高速时钟产生的低功耗低抖动锁相环。亚太微电子与电子研究生研究会议(PRIMEASIA)， Page(s):192 ?196, ISSN: 2159-2144, 2012年12月。
- S. Aditya_和S. Moorthi_ ?180nm CMOS低抖动宽调谐范围低功耗锁相环?亚太微电子与电子研究生研究会议(PRIMEASIA)，IEEE, page:- 228 ?232年,2013年
- Rashmi K Patil, Vrushali G Nasre，?0.18 μ m CMOS制程锁相环电流饥渴VCO与源耦合VCO性能比较，International Journal of Engineering and Innovative Technology (IJEIT), Volume 1,Issue 2, February 2012.
- BehzadRazavi，模拟CMOS集成电路设计，国际版，McGraw Hill出版物，2001。
- 运算放大器??，杨庆元，国立中兴大学电子工程系，2004。
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