浅谈锁相环电路中压控振荡器的分析与设计

欧阳轶，李杨，李菁

（中船重工集团公司第七二二研究所，湖北武汉，430205）

浅谈锁相环电路中压控振荡器的分析与设计

欧阳轶，李杨，李菁

（中船重工集团公司第七二二研究所，湖北武汉，430205）

本文先是进行了锁相环电路中LC压控振荡器的分析，然后进行了锁相环电路中压控振荡器的电路设计、相位噪声分析以及二次谐波滤波技术的应用，最后实际应用了设计的电路，并对应用的结果进行了分析。目的是为设计出性能更加优良的压控振荡器。

锁相环电路；压控振荡器；二次谐波滤波技术

0 引言

压控振荡器作为锁相环电路中的重要部分，压控振荡器性能的优劣会对锁相环电路的工作质量造成决定性的影响。对于压控振荡器的设计有比较多的要求，相位噪声、功耗以及调谐范围是压控振荡器设计的主要指标。

1 锁相环电路中压控振荡器的分析

在锁相环电路中的压控振荡器主要有LC压控振荡器和环形压控振荡器这两种，其中，LC压控振荡器的相位噪声要优于环形压控振荡器，而且LC压控振荡器还具有很好的调谐范围，交叉耦合型的LC压控振荡器在集成电路中得到了很广泛的应用。LC压控振荡器具有较好的线性度、较低的相位噪声以及简单的结构等多种优点，在锁相环电路中得到了广泛的应用。本次分析和设计的LC压控振荡器主要是指负阻LC振荡器，该振荡器的主要部分是LC谐振回路以及负阻单元。将有源器件当做负阻单元，既能够抵消掉并联的LC谐振回路里所产生的实际寄生电阻，还能够将实际寄生电阻损耗的能量进行适当的补偿，以此来保证电路维持简谐振荡，从两个晶体管中的集电极来看，交叉耦合管中产生的交流阻抗是负值。因此，负阻单元能够有效补偿LC谐振回路中造成的能量损失，这样可以有效保持LC谐振回路维持稳定的振荡。根据相关的公式计算可知，在交叉耦合管中产生的的等效负阻是 - (1/gm1+ 1 /gm2)。当 gm1= gm2= gm时，阻值是 R = − 2 /gm。要想维持电路的震荡，交叉耦合管的等效负阻就要提供一定的能量来补偿LC回路中损耗的能量，这就要求交叉耦合管的等效负阻值满足以下要求：R −2/ gm≥0

因此，当等效负阻的绝对值小于并联LC谐振回路中电阻的时候，振荡信号的变动幅度会慢慢变大。一旦等效负阻不小于并联LC谐振回路中电阻的时候，并联谐振回路中的能量损耗由等效阻值所提供的能量进行了补偿，这样就维持了谐振电路的振荡[1]。

2 锁相环电路中压控振荡器的设计

2.1 LC压控振荡器的电路结构设计

LC压控振荡器的核心电路主要是交叉耦合管和尾电流源使用反馈原理所构成的负阻单元。电路的结构比较简单，交叉耦合管的工作电流主要由镜像电流源所提供。但是有源电流源的存在在一定程度上加大了电路的噪声，所以，要降低尾电流管所造成的噪声影响，这就要在电路的设计中使用二次谐波技术。另外，为了扩大电容的可调节范围，确保电容具备比较宽广的调节范围，还要在电路的设计中将可变的电容和并联的电容采取并联的连接方式。

在本次设计的电路中，LC振荡器中的交叉耦合管会产生一定的负阻，而且，还有一定的寄生电阻存在于电感和电容中，为了保持LC谐振回路持续起振，就要使交叉耦合管中的等效负阻的绝对值大于或者等于电路中的寄生电阻，计算LC振荡器振荡频率的公式如下：

其中，电容C主要是指可变电容以及固定电容的并联值；L主要是指电感参数，因为具体的工艺，集成电感是比较困难的工作，而且，集成电感需要对成本也很高，因而本次设计中将电感参数选定为1.8nH。

2.2 LC压控振荡器的相位噪声分析

LC压控振荡器的电路设计中的一个非常重要的性能指标就是相位噪声，相位噪声不仅会影响到频率信号的传输，还会影响到LC谐振回路的可靠程度。本设计中的相位噪声主要使用频域的单边基带谱密度 ()W fφ来表示，还要使用Leeson模型将电路中产生的相位噪声进行优化，具体的Leeson模型如下：

由该模型可知，在工艺条件选定好之后，振荡器在某一个频率进行工作，影响相位噪声的参数主要有以下几种：谐振网络中的等效电阻R；相位噪声系数F；输出电压波形的幅度A；振荡的频率0f以及谐振网络中的品质因数Q。为了减少LC谐振回路中的相位噪声，需要对上述参数进行适当的修改。其中，振荡器使用的具体工艺会对谐振的品质因数Q以及等效电阻R造成一定的影响；等效电阻以及尾电流源会对输出电压波形的幅度A造成一定的影响。所以，为了减少振荡器所产生的相位噪声，可以采取加强尾电流源的方式，但是尾电流源也会产生一定的噪声，所以还要在电路的设计中使用电感以及电容滤波的方法。

2.3 LC压控振荡器中的二次谐波滤波技术

本次设计中的LC压控振荡器的结构是一种差分结构，该结构可以保证奇次谐波的传播，所以，奇次谐波上的噪声不会影响到振荡回路中的相位噪声，但是偶次谐波是通过共模通路进行流动的，会影响到振荡回路中的相位噪声。要想减少偶次谐波中产生的噪声，可以将一个大电容并联到共模点上，这种方法有以下优点：第一，可以减少由于共模点的产生的电压波动；第二，可以减少偶次谐波中产生的噪声。但是该方法也存在着一定的不足，并联的电容会使电源电压对LC振荡回路的影响越来越明显。要想减少LC谐振回路中电阻造成的能量损失，可以采取电感连接的方法，该电感的连接在偏置电流源管以及共模点之间是最好的，另外，连接的电感要具备接近无穷大的理想阻抗，这样不仅能够提高共模点产生的高阻抗，还可以减少谐振回路的品质因数。采取二次谐波滤波技术能够在很大程度上减少压控振荡器产生的相位噪声[2]。

3 锁相环电路中压控振荡器的应用分析

将上述设计的压控振荡器应用于实际的锁相环电路中，并对相关参数进行了分析。根据分析的数据和图形显示，在1.8V的控制电压下，振荡器的起振时间大约是227ns，在1.8V的控制电压下，振幅是600mV；观察压控振荡器的频率与电压调谐特性曲线可知，当控制电压从0.7V增加到8V的过程中，压控振荡器的频率从1.9GHz增加到了2.1GHz，频率调谐扩宽了自身的范围，最高是200MHz。然而，调谐电压越来越大，振荡器振荡频率增加的速度却越来越小；观察振荡的中心频率在2.0GHz附近的相位噪声可以看出，使用了二次谐波滤波技术的压控振荡器所产生的相位噪声在比较广泛的范围内都有了非常明显地降低，而且越接近振荡的中心频率，相位噪声降低的效果就越明显，在宽调谐的范围内具有非常稳定和低小的相位噪声，在电路中使用二次谐波技术进行一定的改造之后，在频率是10KHz附近的相位噪声是-47.82dBC/Hz，在频率是400kHz附近的相位噪声是-141.11dBC/Hz，在频率是1MHz附近的相位噪声是-148.83dBC/Hz，说明压控振荡器具有良好的噪声性能。

4 结论

压控振荡器的性能会对锁相环电路的使用产生决定性的影响。分析可得，通过对锁相环电路中压控振荡器的分析与设计可知，在电路中使用二次谐波滤波技术，可以有效减少LC压控振荡器产生的相位噪声，有效改善了压控振荡器的噪声性能，从而促进锁相环电路中压控振荡器的发展。希望本文可以为相关人员进行锁相环电路中压控振荡器的分析与设计提供参考。

[1]秦军瑞,陈吉华,赵振宇,梁斌,刘征.锁相环电路中压控振荡器的SET响应研究[J].计算机工程与科学,2011,3302:75-79.

[2]何知龙,郭裕顺.基于环形压控振荡器的电荷泵锁相环设计[J].物联网技术,2016,611:57-60.

Analysis and design of PLL VCO

Ouyang Yi, Li Yang, Li Jing
(China Shipbuilding Industry Corporation No. 722 Research Institute,Wuhan Hubei,430205)

This paper first analyzes the PLL circuit LC voltage controlled oscillator, and then the application circuit, PLL circuit of voltage controlled oscillator phase noise analysis and two harmonic filtering technology, finally the practical application of the circuit design and the corresponding results are analyzed The aim is to design a voltage controlled oscillator with better performance

PLL circuit; voltage controlled oscillator; two harmonic filter technology

欧阳轶(出生于1979年5月)，男，汉族，籍贯湖北，工程师，学士学位，研究方向通信技术。