一种具有温度补偿效应的环形振荡器设计

汪妍君

摘 要：文章介绍了一种基于0.35 μm标准CMOS工艺实现的三级差分环形压控振荡器。仿真结果表明，2.5 V电源电压供电时，振荡器中心频率为315 MHz，工作电流为330 uA，电路功耗仅为825 uW。仿真温度范围为-30 ～80 ℃，输出频率的中心频率为295 ～328 MHz，频率变化小于1 000 ppm。本设计可极大的改善由于温度引起的振荡器频率严重变化的影响，可应用于锁相环和频率综合器设计中。

关键词：CMOS环形振荡器；低功耗振荡器；温度补偿；锁相环

中图分类号：TN432 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）24-0013-02

1 概 述

振荡器是能够通过自激方式使自身的输出信号按固定周期变化的电路。振荡器作为频率产生源，是大多数电子系统的重要组成部分。常见的振荡器有LC振荡器，环形振荡器等。LC振荡器通常所需版图面积较大且品质因素较低。相对于LC振荡器，环形振荡器具有较宽的调节范围，功耗低，集成度高，较高的相位噪声等优点。

本振荡器设计以传统的环形振荡器为基础，并对传统环形振荡器进行了温度补偿。

2 电路设计

2.1 差分输入输出延时模块（VCO）

差分输入输出延时模块，如图1所示。

差分输入输出延时模块（VCO）采用三级差分延时单元1]，有利于降低电路的噪声。对称负载由一个二极管连接的PMOS管和一个相同尺寸，偏置于Vctr的PMOS器件构成[2]。

电路工作时，使上方PMOS中的控制管（M22M26）处于深线性区，Vctrl通过控制其栅压来改变其电阻。由于：

f∞

R=

R

C=Cg28+Cg22+Cd22+Cd30

R28远大于，因此：

f∞

Vctrl线性改变频率f。

固定PMOS负载（M28M27）给电路提供一个最大负载电阻，以防止Vctrl出现尖锐脉冲时，PMOS控制管截止引起压控振荡器停振。

2.2 偏置电路模块（Bias）

偏置电路模块示意图如图2所示。

偏置电路模块（Bias）为差分输入输出延时模块的尾电流源提供偏置电压，控制差分延时级的输出摆幅。本文中的偏置电路参考了文献[3]的设计，采用PMOS串联的方式，强制M15M13处于线性状态，起到电阻的作用，同时也与压控振荡器部分结构上匹配。当Vctrl减小时，镜像电流Ib也相应增大。这样有两方面好处，一是防止增益变化过大导致压控振荡器停振，另一方面摆幅变化减小，较小的摆幅变化减小了整形环节的负担。

2.3 带隙基准模块（Bandgap）

带隙基准模块示意图，如图3所示。

带隙基准模块（Bandgap）为差分输入输出延时模块提供控制电压，并通过对控制电压的调节对振荡器输出频率进行温度补偿。

左侧产生正温度系数电流，右侧产生负温度系数，中间通过上方PMOS进行电流叠加，最终在下方电阻上体现Vctrl。

对于正温度系数产生，有：IPTAP=ln（n）

负温度系数产生，有：ln（）=I

求导，可得：=

由此可知，当IVT ，<0。满足条件，即可获得CTAT电流，且可以通过调节R2调节其斜率。

进而得到：

Vctrl=（IPTATm2+IPTATm1）R3

其中，m1，m2为镜像电流各自的镜像比值。通过调节R1R2R3m1m2就可以从多方面调节Vctrl的温度补偿特性及其大小。

2.4 整形模块（Shape）

整形模块（Shape）用于形成方波。将环形振荡器部分的得到的双端差分信号转为单端信号，再经过三级反相器获得比较好的方波信号。

3 整体电路仿真结果

在华润上华0.35μm工艺下，利用华大九天EDA工具进行了版图设计，并对本设计进行了后仿真验证。

仿真得到在三种不同工艺角下，环形振荡器频率与温度的关系。在电源电压为2.5 V的tt工艺下，温度从-30～80 ℃变化时，输出频率的中心频率为295 ～328 MHz。在电源电压为2.5 V的ss工艺下，温度从-30～80 ℃变化时，输出频率的中心频率为222～250 MHz。在电源电压为2.5 V的ff工艺下，温度从-30～80 ℃变化时，输出频率的中心频率为390～442 MHz。由此可得，当温度从-30～80 ℃变化时，在三种工艺角下的频率变化都小于1 000 ppm，说明本设计起到了极好的温度补偿效果。

4 结 语

采用0.35μm标准CMOS工艺，实现了中心频率为315 MHz的三级差分环形压控振荡器。仿真结果表明，2.5 V电源电压供电时，振荡器中心频率为315 MHz，工作电流为330 uA，电路功耗仅为825 uW。仿真温度范围为-30～80 ℃，输出频率的中心频率为295～328 MHz，频率变化小于1 000 ppm。因此本设计可极大地改善由于温度引起的振荡器频率严重变化的影响。设计的版图尺寸为116μm*100μm。该设计可应用于锁相环和频率综合器设计中。

参考文献：

[1] Razavi Behzad.陈贵灿（译）.Design of analog CMOS integrated circuit[M].西安：西安交通大学出版社，2003.

[2] 谢连波，桑红石，方海涛，等.低功耗差分环形压控振荡器设计[J].微电子学与计算机，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.