殷萬君，武建壽，熊建云，鄭 君

（1．四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川 廣元 628017；2．張掖市華光太陽能有限公司 甘肅 張掖 734000）

一種低功耗高線性度VCO的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

殷萬君1，武建壽2，熊建云1，鄭 君2

（1．四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川 廣元 628017；2．張掖市華光太陽能有限公司 甘肅 張掖 734000）

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，無線通信成為了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。射頻接收機(jī)是無線通信系統(tǒng)的重要功能模塊，而壓控振蕩器（voltage-controlled oscillator，VCO）又是射頻接收機(jī)的關(guān)鍵組成部分。為了充分考慮面積、功耗、工藝等性能之間的各種約束，設(shè)計(jì)采用了電流饑餓CMOS反相器單元延時(shí)電路，實(shí)現(xiàn)了線性度好、頻率調(diào)節(jié)范圍廣、功耗低、穩(wěn)定性高的要求。

VCO；電流饑餓；CMOS反相器；線性度

全集成環(huán)形壓控振蕩器（VCOs：Voltage-Controlled Oscillators）由于具有集成度高、調(diào)諧范圍寬、高線性度及面積小等的眾多特征，已經(jīng)成為眾多數(shù)字芯片和通信系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊。環(huán)形振蕩器是基于反相器的延時(shí)原理工作的。只要將任何大于1的奇數(shù)個(gè)反相器單元首尾相連就可以形成一個(gè)基本的環(huán)形振蕩器，由反相器單元組成的環(huán)形振蕩電路具有集成度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低的優(yōu)點(diǎn)［1］。

1　環(huán)形振蕩器

振蕩器的振蕩頻率是由構(gòu)成該電路的每級(jí)反相器的延遲時(shí)間的大小和環(huán)路中反相器的級(jí)數(shù)來決定［2］。如圖1所示。

圖1　反相器鏈組成的環(huán)形振蕩器Fig．1　A ring oscillator composed of inverter chain map

采用單端反相器結(jié)構(gòu)的環(huán)形振蕩器反相器就是其中的延遲單元，如圖2所示。延遲單元的數(shù)目至少為 3以上的奇數(shù)個(gè)反相器構(gòu)成，任何大于或者等于 3的奇數(shù)個(gè)反相器首尾相連，就能產(chǎn)生自激振蕩，周期為T=2NTpd，其中N為串聯(lián)反相器個(gè)數(shù)，Tpd為單個(gè)反相器延遲時(shí)間［3-4］。

圖2　反相器延時(shí)單元Fig．2　Inverter delay unit

2　電流饑餓型延時(shí)單元

由于CMOS反相器的傳輸延時(shí)較短，所以要得到較低的振蕩頻率是非常困難的［5-6］，在電路結(jié)構(gòu)上雖然可通過增加環(huán)路級(jí)數(shù)來降低輸出頻率，但簡(jiǎn)單的電路結(jié)構(gòu)改進(jìn)已不能滿足實(shí)際的需要。在反相器環(huán)路數(shù)量不增加的情況下，要想最直接的實(shí)現(xiàn)頻率的調(diào)整，其方法就是改變延遲單元的延遲時(shí)間［7-8］，而要改變延遲時(shí)間在電路的實(shí)現(xiàn)途徑上是通過改變延遲單元的時(shí)間常數(shù)和改變延遲單元充放電電流來實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)中往往采用多種技術(shù)來改變延時(shí)單元的延遲時(shí)間［9］。

電流饑餓反相器延時(shí)單元具有較寬的頻帶調(diào)節(jié)特性，通過調(diào)整反相器延時(shí)單元的電流可以使得振蕩器在非常寬的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，除了能較為便捷的調(diào)節(jié)振蕩器的頻率特性外，電流饑餓型振蕩器還具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗較低等眾多特點(diǎn)［10］。

由電流饑餓反相器單元組成的環(huán)型振蕩器的工作過程如下：首先通過輸入控制電壓或電流模塊電路，將控制電壓或控制電流轉(zhuǎn)換為電流饑餓反相器單元的偏置電流，最終通過對(duì)偏置電流的變化來控制環(huán)形振蕩器的振蕩頻率。對(duì)電壓/電流轉(zhuǎn)換模塊電路的要求就是要產(chǎn)生大小合適的偏置電流。

為了使得振蕩頻率較低，調(diào)節(jié)范圍更寬，可以在電流饑餓型環(huán)形振蕩器的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的改進(jìn)，如圖3所示。

圖3　電流饑餓型環(huán)形振蕩器電路結(jié)構(gòu)Fig．3　Current starvation-type ring oscillator circuit structure

由M2管和M3管、M5管和M6管組成的反相器為延時(shí)單元，NMOS-M1管控制延時(shí)單元的放電電流Id1，PMOS-M4管控制延時(shí)單元的充電電流Id4，與M2、M3和M5、M6相同的若干單元共同構(gòu)成了環(huán)形振蕩器的每一級(jí)。M1管和M4管控制著流過M2、M6管的放電電流和M3、M5管的充電電流，也就是說，反相器M2管和M3管；M5管和M6構(gòu)成的延時(shí)單元處于電流的饑餓狀態(tài)。

若采用N（奇數(shù)）級(jí)反向器結(jié)構(gòu)，則充電電流i是N級(jí)反向器的總的電流，由于每級(jí)反相器參數(shù)相同，所以每級(jí)電流也相等，大小為i/N，當(dāng)M4管柵極電壓較小時(shí)，充電電流也較小，處在電流饑餓狀態(tài)的單級(jí)延時(shí)單元振蕩電路的充放電電流很小，振蕩頻率也較低；隨著控制電壓的上升，充電電流逐漸增大，處在電流饑餓狀態(tài)的延時(shí)單元振蕩電路的充放電電流也隨之變化，振蕩頻率也隨著充放電電流的增加而增加。

表1　仿真參數(shù)Tab.1　Simulation parameters

3　基于電流饑餓型反相器延時(shí)單元VCO電路的設(shè)計(jì)與仿真

采用電流鏡形式的偏置的結(jié)構(gòu)，電流鏡和壓控管構(gòu)成了延時(shí)單元的供電電路。電流鏡PMOS管取L=1um，W=5um，壓控NMOS管L=1um，W=3．3um，取延時(shí)鏈的級(jí)數(shù)為11級(jí)，反相器延時(shí)單元N管，P管

圖4　仿真原理圖Fig．4　Simulation schematic

在MI 0．35um工藝環(huán)境下，電源電壓為1．8 V?？刂齐妷涸?．85～1．15變化時(shí)仿真結(jié)果如表1所示。

工作在飽和狀態(tài)的壓控MOS管輸出電流是與控制電壓（VGS-VTH）呈平方關(guān)系的，由于控制電壓是在 0．8～1．36 V變化，減去閾值電壓VTH可使得輸出電流進(jìn)一步細(xì)化，1 V范圍內(nèi)電壓的平方也近似線性關(guān)系，電流與輸出頻率的關(guān)系為式1。

故輸出頻率與輸入電壓呈線性關(guān)系。若改變延時(shí)單元的級(jí)數(shù)，振蕩器的頻率將進(jìn)一步提高。

4　結(jié)　論

本文利用電流饑餓反相器延時(shí)單元設(shè)計(jì)了一種線性度好、功耗低、頻率可調(diào)的全MOS型VCO電路，仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的VCO可通過調(diào)整MOS管參數(shù)，使得振蕩頻率調(diào)整范圍更寬，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于設(shè)計(jì)。

［1］殷萬君．基于溫度的DRAM刷新時(shí)鐘產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)［D］．成都：西南交通大學(xué)，2014．

［2］張愛琴，段吉海，秦志杰．兩種高頻 CMOS壓控振蕩器的研究與設(shè)計(jì)［J］．電子科技，2009，22（11）:26-29．

［3］陳永潔，劉忠，危長(zhǎng)明，等．低相位噪聲CMOS環(huán)形振蕩器的研究與設(shè)計(jì)［J］．微電子學(xué)，2008（6）:76-80．

［4］M．Straayer，J．Cabanillas，and G M．Rebeiz．A low-noise transformer—based 1．7 GHz CMOS VCO［J］．IEEE International Solid—State Circuits Conference，2002（1）:286-287．

［5］L．H．Lue，H．Hsieh-Hung，and L．Yu-Te．A wide tuning-range CMOS VCO with adifferential tunable active inductor［J］．IEEE Trans．Microw．Theory Tech，2006，54（9）:3462-3468．

［6］Chang—Hsi Wu and Guan—Xiu Jian．A CMOS LC VCO with Novel Negative Impedance Design for Wide·Band Operation［J］．IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium，2010:537-540．

［7］Hsieh-Hung Hsieh，Liang-Hung Lu．A Low—Phase—Noise K．Band CMOS VCO［J］．IEEE Microwave And Wireless Components Letters，2006，16（10）:552-554．

［8］李天望，曾曉軍，洪志良．1V 2．5 GHz壓控振蕩器設(shè)計(jì)［J］．半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2009，24（1）:80-83．

［9］施琦鋒，薛曉博，何樂年．新型數(shù)模轉(zhuǎn)換器時(shí)域誤差校正方法［J］．浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2013（11）:2025-2030．

［10］徐偉杰，梁煒，鳳超．WIA-PA網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2011（6）:2265-2270．

Design and realization of low power and high linearity based on VCO

YIN Wan-jun1，WU Jian-shou2，XIONG Jian-yun1，ZHENG Jun2
（1．Sichuan Information Technology College，Guangyuan 628017，China；2．Zhangye City Huaguang Solar Energy Co.Ltd，Zhangye 734000，China）

with the continuous development of Internet of things technology，wireless communication has become the key technology in the development of iot．The RF receiver is an important function module of wireless communication system，and the voltagecontrolledoscillator（voltage-controlledoscillator，VCO）isthekeypartofRFreceiver．Inordertofullyconsiderthevarious constraints between the area，power consumption，process performance，the design uses the current hunger CMOS inverter unit delaycircuit，achievedgoodlinearity，frequencyregulationrange，lowpowerconsumption，highstabilityrequirements．

VCO；current hunger；CMOS inverter；linearity

TN752

A

1674－6236（2016）02-0110-02

2014-10-15稿件編號(hào)：201410106

四川省教育廳自然科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目（15ZA0380）；四川省教育廳自然科學(xué)一般項(xiàng)目（15ZB0467）；甘肅省科技廳科技支撐計(jì)劃（1204GKCG059）

殷萬君（1980—），男，甘肅張掖人，碩士，講師。研究方向：大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)與仿真。