基于MOS工艺的压控振荡器的设计

四川信息职业技术学院 殷万君

基于MOS工艺的压控振荡器的设计

四川信息职业技术学院 殷万君

压控振荡器是电子电路中应用广泛的一种电路，随着集成电路的发展，在设计MOS型压控振荡器时，需要考虑其应用场合和起振条件及输出频率。

压控振荡器；电路；频率

压控振荡器的作用是根据CP/LPF输出的包含参考信号与反馈信号频率或相位差的直流电压Vctrl，输出对应频率的振荡信号。压控振荡器主要分为两大类：环形振荡器和LC振荡器。

环形振荡器（ring-oscillator）是由若干级增益电路构成的闭环环路，它结构简单，易于集成，可调频率（tuning range）范围大，能实现多相位输出，其起振条件必须满足巴克豪森准则：信号的总相移为360°或频率相关的相移为180°；闭环增益必须大于或等于单位一。值得注意的是，巴克豪森准则是环路起振的必须但不充分条件[5]。

图1 环形振荡器线性模型

为了说明如何将巴克豪森准则具体应用到电路设计中时，考虑图1所示的环形振荡器线性模型。设环路有n级增益电路，根据巴克豪森准则第一个条件，则每级的频率相关的相移应该是180°/n，则发生振荡的频率为：

则：

进而计算得到每级增益A0。理论上，这样设计的环形振荡器就满足了巴克豪森原则。

当设计的环路可以起振之后，就需要考虑如何改变振荡频率的问题。文献[13]中介绍了常见的压控环形振荡器结构。

结构最简单的一种压控环形振荡器是由反相器链构成的单端压控振荡器。其优点是可调频率范围很宽，电路面积小，全数字电路路结构，易于标准化设计。其缺点是工作频率低，噪声大。这种电路压控频率的方法有：MOS电阻型单端压控振荡器、电流饥饿型单端压控振荡器、可变负载型单端压控振荡器等。

图2 单端压控振荡器的基本实现电路

MOS电阻型单端压控振荡器电路如图2(a)所示，电路工作原理是通过电压控制每一级输出端串联的MOS管的导通电阻，进而充放电常数，达到改变输出频率的目的。这种电路的优点是输出电压摆幅大，缺点是当控制电压很小时，MOS管截止，电路不起振。

电流饥饿型单端压控振荡器电路图如图2(b)所示，电路工作原理是通过改变反相器的尾电流源的偏置电压，来控制充放电的电流大小，到达改变输出频率的目的。这种电路的优点是可以灵活的改变输出频率。

可变负载型单端压控振荡器电路如图2(c)所示，电路工作原理与MOS电阻型单端压控振荡器类似，它通过将可控负载从串联在环路中改为并联在环路每个反相器的输出端，避免了对最大振荡频率的影响。

在实际应用中可以根据情况选择不同的的振荡电路。

[1]殷万君.基于温度的DRAM刷新时钟产生电路设计[D].西南交通大学,2014.

[2]陈永洁,刘忠,危长明,王守军.低相位噪声CMOS环形压控振荡器的研究与设计[J].微电子学,2008(06).

[3]李天望,曾晓军,洪志良.1V 2.5GHz压控振荡器设计[J].半导体学报,2003(01).

本文为2015年四川信息职业技术学院院级科学项目智能密码锁的研究成果。