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不同的振荡器结构的研究

Madhumita辛格1,(Sanjeev m .野生动物2,Zoonubiya阿里3
  1. 打开学生,电子和通信工程系,Disha研究所管理和技术,sujeet kumar恰蒂斯加尔邦,印度
  2. 头,电子和通信工程系,Rungta工程与技术学院sujeet kumar恰蒂斯加尔邦,印度
  3. 助理教授、电子和电信工程系Disha研究所管理和技术,sujeet kumar恰蒂斯加尔邦,印度
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文摘

电压控制振荡器在模拟电路块至关重要。锁相环路的组成部分,时钟和数据恢复电路和频率合成器。本文回顾不同的振荡器结构在不同的应用程序使用。还提出了一种新的振荡器设计高调谐范围和更少的芯片面积。

关键字
锁相环路振荡器,时钟和数据恢复电路,频率合成器。

介绍
信号产生电路是最重要的基石之一,模拟,数字和混合信号设计。振荡器在通信系统中扮演重要角色,提供所需的周期信号在数字电路和频率转换时间射频(RF)电路。最受欢迎的射频振荡器架构应用程序主要是LC振荡器或环形振荡器。LC振荡器的基本电路提出了[1]。改善电路性能提出了许多电路。补偿的坦克损失LC振荡器使用交叉耦合振荡器[2]。相比这个交叉耦合电路互补的交叉耦合电路给大量的优点[3]。正交信号在通信系统的要求提出了正交VCO [1]。环形振荡器的基本电路提出了[4],包括反相期和延迟期。许多类型的这两个阶段是在[4],[5],[6],[7]。Oscillator based on band pass filter [8], active inductor [9] etc. is also used to meet the applications requirements.
LC振荡器展品良好的相位噪声,但制造成本昂贵是因为一个电感,它消耗大的芯片面积。一个狭窄的频率调谐范围是LC振荡器的另一个缺点。环形振荡器可以建立在标准CMOS工艺小硅区域,和频率调谐范围很广而LC振荡器。然而,一个环形振荡器相位噪声性能差和它对电源感应噪声很敏感。
本文提出了一种新的振荡器设计基于使用有源电感带通滤波器。这种振荡器改善相位噪声性能和宽的调谐范围。

振荡器
一个振荡器是一个正反馈放大器使用,没有任何外部输入信号,产生一个输出频率所需的频率。它将直流电源(供应)转换为一个周期信号。
a类型的振荡器
电压控制振荡器振荡可以分类方法为resonator-based振荡器和waveform-based振荡器。基于谐振器振子是分为LC和晶体振荡器。和基于波形的振荡器分为放松和环形振荡器。每个类型都有不同的方式做频率调谐等当前转向环振荡器和LC振荡器的可变电容器。环和LC振荡器是不错的选择,不同的应用程序。放松和晶体振荡器不是一个好的选择是由于巨大的相位噪声和不切实际的设计,分别。
1)LC振荡器。
一般信用证VCO图1所示(一个)电感L、电容C由并联共振箱和RL和RC电感和电容的寄生电阻,分别。负阻- r用于实现为了补偿损失来自RL, RC和活性成分如CMOS晶体管。坦克的损失可以表示为[1]:
图像(1)
R代表组合损失的电感和电容,和Vpeak峰值电压振幅在电容。从(1)它可以观察到,功率损耗降低串联电阻的线性谐振槽,并减少振荡回路电感的增加成平方。
图像
2)交叉耦合振荡器
赔偿损失从寄生电阻和电容谐振槽,槽形成负阻- r。但在现实没有负阻的存在是由交叉耦合晶体管如图1所示(b)。通过交叉连接输出振荡,负阻的电导晶体管跨导的创建(gm)。LC压控振荡器的相位噪声是成反比的质量因素(Q2) [2]。如果我们提高品质因数的LC,相位噪声将会改善。品质因数的LC坦克可以表示为
图像
Gtot LC的跨导槽和Gtot可以表示为
Gtot = Gp - Gn (3)
Gn -电导添加到电路,可以减少Gtot因此,品质因数增加改善相位噪声的电路。提高能耗以及微分交叉耦合与解耦电容振荡器相位噪声和多晶硅电阻使用如图2所示(一个)。
3)免费交叉耦合振荡器
完全集成互补cross-coupled配置,如图2所示(b)选择是因为以下优点[3]。
)互补结构提供了更高的跨导在给定电流,从而导致更快的一双cross-coupled微分的切换。
b)它执行更好的上升和下降时间对称,导致更少的上转换1⁄f噪声与其他低频噪声来源。
c)的直流电压下降通道以来all-NMOS结构较大的直流值漏电压Vdd。因此,加强速度饱和和一个更大的γ。
活动设备(NMOS1、NMOS2 PMOS1和PMOS2)作为负电阻补偿LC坦克损失。交叉耦合VCO是开关。振荡器部队VGD NMOS晶体管产生差动电压谐振器。在零电压差四个开关晶体管饱和区域,形成小——信号负电导开始振荡。微分振荡电压穿过Vth, n,
图像
NMOS1 VGD超过+ Vth, n,迫使它进入线性区域,VGD NMOS2低于+ Vth, n,驱动装置成一个更深的饱和区域,然后NMOS2关闭。
同时,微分振荡电压穿越——Vth下降,p, PMOS1 VDG超过-Vth, p,迫使它进入线性区域,同时,VDG PMOS1部队成为更深的饱和度,然后PMOS1关闭。因此,互补LC坦克VCO运作NMOS和PMOS双都是事先在饱和区域,然后NMOS1 PMOS2处于关闭状态,而其他NMOS2和PMOS1的状态。这种转换在VCO的操作过程是期刊。当前Ibias,驱动LC坦克VCO进入稳定运行。
4)正交VCO。
不同的设计选项可用来生成正交信号。有些是这里讨论:
VCO的)组合,多相滤波器(或电阻-电容c - r滤波器)和输出缓冲区(或限制)。[10],[11]。它由四个输出缓冲区或限制。如果缓冲区之间插入VCO和过滤器,需要更多的权力;如果过滤器是直接连接到VCO,坦克电容增加,导致更高的功耗和相位噪声的还要糟糕。此外,需要大量的芯片面积,作为过滤器需要良好的匹配。
b) VCO两倍频率主-从人字拖紧随其后。它需要一个VCO设计双频率不应消耗更多权力,作为集成的高每秒坦克在更高的频率是可以实现的(线性电感尺度下当分级下来一个集成的线圈,线圈电容尺度成平方,所以信用证改善)。主-从人字拖在这个消耗太多的权力。
c)两个交叉耦合的VCO的[12]。它消耗更少的能源消耗比上面两个选择。它提供了一个非常高的电压摆幅,简化了预定标器和混频器电路连接到VCO的设计。这个也可以考虑扩展VCO的使用外部高质量的电感器。当使用外部电感,很多当前必须用于VCO信号放大驱动多相过滤器或驱动啪嗒啪嗒地响。
d)当前重用拓扑。NMOS和PMOS晶体管用于实现负阻[13]被选为它重用直流电流。此外,电流源是省略了最大化信号摇摆如图3所示。[1]。呕吐电流源具有更多的优势。它可以消除相位噪声来源。所有VCO -核心晶体管被放在一个兆赫切换偏压条件下,闪烁噪声方面显然是减少约10 dB比较测量和模拟几个使用这种拓扑测量设计。的
图像
省略的电流源的主要缺点是对电源敏感性增加。这种效应可以减少集成稳压器的其他可能的缺点是增加振荡器信号的谱杂质和对称波形越少,导致增加了闪烁噪声的转换。两种效应可以通过带通特性的阻尼设计良好的共振。这种拓扑担保限制所有门电压电源电压。
5)环形振荡器
环形振荡器是由一系列的延迟阶段,与最后阶段的输出反馈给输入的第一个。为了实现振荡,环必须提供一个相移2п团结在振荡频率电压增益。每个延迟阶段必须提供一个相移п/ N,其中N是延迟阶段的数量。剩下的相移是由直流反演提供的。环形振荡器有两种类型:[4]
)单端环振荡器:D1 Dn代表延迟细胞,提供增益和相移。他们建立一个闭环的级联所有阶段如图4所示(一个)。奇数直流反转阶段是必要的。
b)微分循环环VCO:微分环振荡器广泛使用,因为它有一个微分拒绝输出共模噪声、电源噪声等等。视图(b),描述了N级环振荡器实现使用微分单元(输出)互补。一对源耦合(sci)逆变器将一个典型的实现。假设时刻t0的输出阶段1更改逻辑1。这个逻辑1传播结束时,它会创建一个逻辑在第n个阶段1,,当反馈到输入的第一个阶段,在第一阶段创建一个逻辑0输出。这个逻辑0链式传播时,它的输出切换阶段1触发下一阶段。需要两个通过链式完整的一段。通过每个阶段表示tp的传播延迟,然后周期T = 2国家结核控制规划。对于微分单元N可以奇/偶,开始振荡。
图像
6)环反相阶段
有许多类型的逆变阶段可以实现由一个环形振荡器[13]。一些标准的解决方案见图5。[5],[6]。
设计在图5 (b) (c) (d)是当前饥饿的类型、充电和放电输出电容器的电流偏置电路是有限的。对称负载的基本类型和当前饥饿的逆变器有最高的,虽然目前的匮乏与输出开关逆变器灵敏度最低。基本类型之间的比率相对频率偏差和当前饥饿与输出开关逆变器是5:1。一般频率偏移的是一样的。几种典型设计方案,减少敏感也可以称为环相结合
图像
当前的振荡器。在这个奇数逆变阶段实现的基本类型,尽管编号与饥饿——开关逆变器输出。
7)微分延迟细胞
有许多特性,区分延迟细胞用于环形振荡器。延迟细胞分为三种类型的基础上,大量时间决定了整体相位噪声[4]。
首先是fast-slewing饱和延迟细胞。这种延迟细胞快速上升和下降的时间。它还执行完整的开关,因此属于饱和类延迟细胞。
第二种类型的延迟细胞是一个缓慢的回转饱和延迟细胞。这里的逆变器由一对源耦合(SCP)的来源,因此这是一种基于逆变器的电流。它被称为回转缓慢,因为它有更长的门延迟。
第三种类型的延迟细胞不饱和的延迟细胞。这也是一个基于电压逆变器的延迟细胞。在这延迟细胞一些晶体管永不开/关结果输出波形达到Vdd或地面,这也是为什么这种类型的延迟细胞称为非饱和。
延迟微分环振荡器的细胞也用来降低相位噪声。延迟细胞采用微分对作为输入,并使用各种类型的负载来获得足够的收益。示意图的常规延迟细胞[7]是图6所示(一个)。在这个电路,NMOS晶体管M1和M2形成主回路,而M7和M8 PMOS晶体管形成二次回路。美联储主要输入输出的前一个阶段。美联储二次输入是输出的前几阶段的当前阶段。输出节点将从M7预先充电或M8。结果,输出节点可以向高压更快,因此增加了振荡频率。pmo负载晶体管M3, M4构成了门闩。门闩的强度也会影响振荡频率。 The output oscillates from rail to rail because of latch and therefore, on- time of the transistors in the delay cell is reduced which further reduces the phase noise. The control voltage Vc at the gate of NMOS transistors M5 and M6 control the feedback strength of the latch. As Vtune is increased, the latch becomes strong and hence resists the voltage switching in the delay cell. It increases the delay time of the differential delay cell and reduces the oscillation frequency. The tuning voltage range of this conventional delay cell is limited.
另一种方法是延迟插值。如图6所示(b),每个阶段包含一个快速和慢速路径的输出总结在一起。,快和慢之间的电流路径,延迟的时间通过每个阶段,因此VCO的频率可以调整。
图像
8)负倾斜延迟细胞
负倾斜的延迟方案用于提高操作的速度环振荡器。图7 (b)显示负倾斜延迟的概念。p - MOSFET和n-MOSFET在传统相同的输入延迟电路如图7所示(一个),但在负倾斜方案,p - MOSFET被连接到一个消极,这样输入信号延迟元素p - MOSFET到达比早些时候的n - MOSFET。修改版本的延迟细胞如图7所示(c)是用来增加环形振荡器的调谐范围和最大工作范围的成本更多的能源消耗。它由一个传统的CMOS反相器和一个概念性的负延迟两个晶体管的元素插入到一个CMOS反相器的输入。在这种情况下,输入的PMOS与负面元素和输入信号延迟PMOS来得早的NMOS。这个功能每阶段自我扭曲当地行动。这导致显著改善速度比传统的3倍。
9)基于有源电感
大多数通信系统需要一个正交信号发生器。因此有必要建立一个可编程的宽带QVCO现代多波段收发器。流行的方法来生成正交信号耦合两种VCO内核在串联或并联的方式。然而,额外的晶体管耦合可以恶化的相位噪声性能电路或限制频率调谐范围。一个新的QVCO使用有源电感耦合方法。在图8中(a),电容器C1-4 VCO内核的输出节点连接到上有源电感的电流源VCO内核。提出QVCO也有五个频率调谐乐队是单一VCO的相同。虽然QVCO也可以实现连续宽的频率调优,QVCO的振荡频率和调谐范围可能会改变一点的VCO由于注入锁定现象。
10)基于带通滤波器的振荡器
传统BPF-based振荡器是一个维恩电桥振荡器。图8 (b)描绘了一个晶体管电平完全微分振荡器的示意图。R1, R2, C1和C2形成一个带通滤波器,和晶体管MN和MP在带通滤波器的输出电压(V +带通滤波器和VBPF)和变换这些电压电流反馈带通滤波器。积极的反馈,一个完全差动电路使用。振荡器的输出是取自V +和输出电压有较大的振幅比带通滤波器的输出(V +带通滤波器和VBPF)。晶体管MB用于偏见MN和议员,还提供了一个从电源噪声屏蔽效应。V +的共模电压和输出电压由R1感觉到,并用于偏见的栅电压通过R2 MN和MP。一旦通用汽车MN和MP大于设置的最低要求(5),然后开始振荡,振荡频率是固定在ω0如(5)所述。开环传递函数的带通滤波器的收益率
图像(4)
图像
设定的振荡频率的带通滤波器中心频率ω0,和通用汽车的最低要求
图像(5)和(6)
电源噪声敏感度提高了环形振荡器,并更广泛ω0比LC振荡器的调谐范围。在这种振荡器R和C都是调整的调优。也消耗更少比LC和环形振荡器芯片面积。由于基于带通滤波器的振荡器的低品质因数,其相位噪声比LC振荡器但与环形振荡器。

提出了射频振荡器的设计
它由带通滤波器和有源电感如图9所示。M3, M4用于输入缓冲阶段。他们是大型设备和有偏见的低输入阻抗和小变形。一双PMOS有源电感M1a(或b)和M2a(或b)是用来实现滤波器的频率选择性。办公室的选择主要有两个原因:
一)数量的单位增益频率调高到足以覆盖过滤器的频率。
b)它是方便重用其他阶段的偏置电流的NMOS晶体管。
输入级的偏置电流是由M1a重用和数M1b。M2a和M2b的栅电压可调的外部。NIC(负阻抗电路)可以实现通过交叉耦合的微分对提高Q补偿主动电感噪声。多双曲正切电路结构作为消极的跨导的阶段。它由一对交叉连接微分Mn1, 2和两个不平衡对Mn 3、4和Mn 5、6的4比1的比例大小。当信号足够大,一对对称微分饱和,不平衡微分对仍然可以提供差动电流与输入电压成正比。输出缓冲阶段M5和M6设计常见阶段高线性度。Fc增加增加电感器的偏置电流Ib活跃。它也增加了由于有源电感电流重用。问可以通过增加调整网卡的偏置电流的智商。 Transistor MN and MP take the voltage at the output of the BPF [V+ BPF and VBPF] and transform these voltages to currents which are fed back to the BPF. For positive feedback, fully differential circuit is used. The oscillator output is taken from V+ OUT and VOUT as they have larger amplitude than the BPF output [V+ BPF and VBPF]. Transistor MB is used to bias MN and MP and also provides a shielding effect from a power supply noise. Once the gm of MN and MP are set larger then minimum requirement then oscillation starts and oscillation frequency is fixed at ω₀. [8] Here
图像
图像(7)
图像(8)
ωt1和ωt2的单位增益频率分别M1和M2。

比较
在表1中我们比较不同的振荡器结构即振荡器在带通滤波器的基础上,主动电感,LC振荡器和环形振荡器。所有振荡器结构都有自己的优点和缺点。根据应用程序的需要使用不同的振荡器。在此表所有的振荡器电路提出了不同的应用程序。通过比较我们可以知道LC振荡器相位噪声好环,但相比其他,其他都很好。其他振荡器结构改进调谐范围、功耗和面积。
图像

结论
当我们学习不同的结构,我们发现每个人都有自己的优点和缺点。结果LC振荡器比在射频通信由于其相位噪声性能。而使用环形振荡器由于其宽调谐范围,减少硅区域电源但敏感。但是今天新电路替换它们,并提供更好的结果。本文提出了一种新的射频振荡器设计能更好地满足当今的应用程序的要求。

引用
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