Analysis of an Integrated-Realizable Low–Phase-Noise VCO 低噪声集成压控振荡器噪声性能分析
陶 蕤 王志功 顾 峥 东南大学 射频与光电集成电路研究所暨毫米波国家重点实验室 南京四牌楼 2 号 210096 摘要 本文提出了一种低相位噪声时基核心电路的压控振荡器的设计方法 通过对采用普通差分放大器单元和容性耦合 差分放大器单元构成的环行振荡器进行的噪声分析 得出由容性耦合差分放大器单元构成的环行振荡器由于其带 通特性和负阻特性 具有较好的抗噪声能力 可用于对频率稳定度有较高要求的 VCO 等电路中 差分放大器 容性耦合差分放大器 压控振荡器 单边带噪声谱密度
关键词:
一
引言
我们的任务是研制低相位噪声时基源(timing base) 它的核心电路是一个压控振荡器(VCO) 其 工作频率定为450MHz 希望相位抖动小于40ps (约 为6o )[1], 欲 采 用 的 电 路 工 艺 为0.18um CMOS 工 艺 本文报告该VCO电路形式的设计以及噪声性 能的分析 二 电路工艺的选择
方法是 选取一个好的单元电路的形式 系统的噪声带宽 三 振 荡 器 和VCO 工作原理
以减少
一般的振荡电路都可以分解为图 1 所示一个 幅频相关单元 A(f)及一个相频相关单元Ф(f)组成的 环路
VCO是众多电子系统中的一个基本电路 它 主要用于产生模拟传输系统中调制信号的载波 以及数字系统中的时钟信号 对于时基信号 我 们要求有极高的稳定性和极低的相位噪声 这就 要求产生时基信号的 VCO有极高的稳定度 有极 高的抗干扰性及抑制噪声能力 噪声对于振荡器来说有正负两方面的作用 正的方面 振荡器是依靠电路内部的噪声激励产 生振荡的 负的方面 当振荡器进入稳定状态后 噪声成为一个干扰源 产生相位噪声 通常 只 要电路满足振荡条件 不管电路内部噪声的大小 电路总归能够起振 所以 减小噪声负方面的影 响成为设计振荡器 VCO 乃至整个信号源系统 的关键 我们的目标是设计一个低相位噪声的VCO 为达到这一目的 我们可以采取以下这些措施 1 采用低噪声的元器件 对于无源元件 我们尽可能用 LC 元件构成振荡回路来代替 RC 或 RLC 振荡回路 以减少由于电阻热噪声对振荡器 的影响 对于有源器件 不同的工艺 器件的噪 声 系 数 不 同 其中 BT( Bipolar Transistor) 优 于 FET(Field Effect Transistor) MESFET 优 于 MOSFET 如有选择工艺的可能性 则应采用低 噪声有源器件的工艺 2 对于给定的工艺 如 CMOS 工艺 我 们可以改变电路的偏置电流 亦即改变电路的工 作点 使电路工作在其噪声系数最低的工作区域 但是 这需要预先知道所用器件的噪声特性 如 噪声系数与工作电流之间的关系 3 减少外部干扰与噪声对振荡器的影响的
1
A
f
Ф(f)
图 1: 振荡器电路原理图 当环路满足 A(f) 1 Ф(f)=2 nπ (n=1 , 2 ,3 时 电路即可在 f 0 f1 f2 中的最容易满 足振荡条件的某一频率处起振 并达到稳定状态 最稳定的振荡器只存在一个满足条件的频率, 亦即 单模(Single-mode)振荡. 振荡器输出波形的好坏 也就是振荡器的抗 干扰与噪声的性能的优劣 是由 A(f)和Ф(f)的频 率特性共同来决定 我们希望它们的整体具有一 个窄带滤波器的频率特性, 亦即幅度相关网络 A(f) 的幅频特性在振荡频率处呈一钟形 而Ф(f)在振 荡频率处有一个陡的负斜率. 这样由噪声和干扰引 起的正负频率偏移的振荡都将在幅度上受到抑制, 且产生的相位使得振荡频率偏移减小 . 也就是说, 噪声和干扰得到了抑制 对于一个窄带滤波器来说, 品质因数 Q 值越 大 抗噪声干扰的能力越强 因为 Q 值越大 带 通的带宽越窄 对带外噪声与干扰的抑制作用就 越强 品质因数 Q 可定义为
Q=
其中 0 为振荡频率 d /d 为振荡频率处相位传 输函数的斜率[1] 品质因数 Q 越大 相频特性曲 线的斜率越大 这样, 干扰与噪声产生的同样的频 率变化就产生一个较大的使频率向反方向变化的 相位, 从而使振荡频率较快地向原振荡值恢复 为了实现有高品质因数 Q 的幅频特性和相频 特性的 VCO 有多种电路形式可以采用 一般可
0 d 2 d
使用 LC 振荡器实现
图 2 示出了电路形式
以差动式放大电路可以较好地抑制外加的干扰与 噪声信号 而且差动式放大电路可以较好的抑制 由于温度变化和电源变化引起的工作点漂移 并 对周围其他电路产生较小的电磁干扰 故差动式 放大电路成为我们的首选方案 但是普通差动放大电路等效为一个 RC 低通 滤波器 而且单级的相频特性变化缓慢 于是 我们采用具有 TcT 结构形式的容性源极耦合差动 放大电路 此电路输入电阻具有负阻特性 而跨 导有较好的带通特性及较好的相频特性 电路结构 我们对由两种电路 单元组成的 VCO 电路进 行了噪声性能的分析及对比. 它们是 1 普通差动放大电路 SCCA: Source Coupled Current Amplifier 2 容性源极耦合差动放大电路(SC3 A Source Capacitively-Coupled Current Amplifier). 它们的电路形式如图 4 所示 四

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