第09章振荡器

是指当电源电压变化时，VCO的输出频率会改变。 LC-VCO中,电源电压变化会影响变容管上的直流电 压，从而影响输出频率，所以LC-VCO的电源抑制 比很差。使用高质量的电源可以改善这个问题
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正交信号的产生
RF的Tranceiver中经常要求VCO能够产生相互正交的两个 振荡信号（I/Q, In phase/Quadrature），对于环形振荡器， 实现正交信号很容易。而差分的LC-VCO只能提供相差180 度的信号，所以必须要增加一个电路来产生正交信号 RC-CR移相
0
90
D M1 M2 M3 M4
180
270
D CK M5 M6
用电流模的锁存器实现高速分频器
CK IB
缺点是要使VCO产生工作频率2倍的振荡信号
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交叉耦合振荡器 两个差分VCO互相耦合，产生正交信号，高频时有优势。但由于 有两个VCO所以相噪声比较严重

LC压控振荡器的增益由变容管的C-V特性决定
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VCO的性能指标—相噪声

相噪声（Phase Noise） 噪声会影响VCO的幅度和频率，由于VCO的振幅很大， 而且有限幅机制，所以幅度噪声可以忽略，重要的是噪 声对频率的影响 频率的影响也可以表示为信号周期的随机波动，也就是 信号的时域波形中过零点相对于理想位置的波动，称这 种噪声为相位噪声（在数字电路中称其为Jitter，抖动）
RP
C
L
Resonator R
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交叉耦合LC振荡器的负阻分析 这是IC中常见的形式，也是一种负阻振荡器 ix = g m1v2 − g m 2 v1 = vx ix L vx = v1 − v2 v1 v2
C
-2/gm
M1 M2
RP
M1
= −ix (1/ g m1 + 1/ g m 2 ) vx rx = = −2 / g m ix 起振条件： RP > -2 / g m


load Pulling: VCO的负载发生变化时，振荡器的频率也 发生改变。 给VCO增加buffer是解决Pulling问题最有效的方式。反 向抑制比高的buffer可以同时解决两种Pulling带来的问 题。
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Supply Pushing
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相噪声会影响信号的频谱：假设振荡器产生的振荡信号 为正弦信号
= x(t ) A cos [ω c t + φn (t ) ]
其中，φn(t)就是相位噪声，信号频率为ωc
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VCO的性能指标—相噪声
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当|φn(t)|远小于1 rad时，可以把上式展开为：

因此，相位噪声谱被调制或搬移到了载波ωc 处 实际情况
理想情况 相噪声通常在频域来定义：

L(∆ω ) = 10 ⋅ log
ω0 + ∆ω处,1H带宽内的噪声功率 z
载波功率
单位为dBc/Hz
例如：载波功率为-2dBm, 在载波附近1MHz处1KHz带宽 内测得的噪声功率为-70dBm, 则相噪声为-70dBm+2dBm30dB=-98dBc/Hz@1MHz
概述

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振荡器的用途 数字电路的时钟信号 收发机的本振信号 为频率综合器提供参考信号 振荡器的特性 中心频率 频率范围 相噪声 Pulling和pushing 功耗、输出电压幅度、驱动能力
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起振频率处的环路增益等于1，总相移为360° 起振时增益总是大于1的，振荡稳定后回到1 巴克豪森准则是必要条件，而非充分条件
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LC振荡器分析

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并联RLC网络的阻抗特性
|Ζ|
Ζ 90° −90°
ω0
RP
C
L
ω0

谐振频率以下为容性，以上为感性。谐振处相移为0 总相移永远达 不到360°，不 会起振
M2


谐振腔的寄生电阻被交叉耦合的晶体管提供的负阻所抵消， 所以，电路以并联谐振回路的谐振频率保持振荡 电感Q值越高，Rp越大，所需的gm越小，功耗越小
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与反馈分析法得出的起振条件一致 问题：为什么是正电阻大于负电阻？
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交叉耦合LC振荡器的电路形式
只要两路信号中的R和C相等则Vout1和Vout2相差90度。 缺点是只在ω＝1/(RC）时两路信号的幅值相等，所以 必须对两路信号放大再加限幅使幅值相等
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分频 用一个主从触发器对输入信号进行二分频得到正交信号，
VDD RD1 RD2
Q Q

VPP ,diff = 2 ⋅
4
π
I SS RP
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LC压控振荡器



LC振荡器使用变容管来调节频率，变容管的等效电 容受外加直流电压的控制 Varactor的实现方式有多种 P+Nwell 线性度高调节范围小 MOS Vavactor 调节范围大，线性度低 Vtune 右侧电路去掉尾电流源的优缺点： 去除了尾电流源的噪声； QX Q 节约了电压余度； 对电源的敏感度增加； 偏置电流随PVT显著变化；
CMOS结构无电流源的LC-VCO
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VCO的性能指标—调节增益

调节增益 VCO的模型一般都假定VCO是线性控制的, 即：
f out = f 0 + KVCOVcont
其中KVCO称为VCO的增益，单位为Hz/V
频率 f2 f1 f0 0 V1 KVCO等于斜率 电压 V2
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VCO的性能指标—相噪声的影响

相噪声对通信系统性能的影响 由于VCO在RF收发机中用来产生LO信号，所以，相 噪声会影响上变频和下变频后的频谱 下变频的情况：
Hale Waihona Puke Baidu
从上图可以看出，如果RF信号的邻近信道存在较强 的干扰，由于LO的相噪声，这个干扰会被下变频到中 频频谱，通信质量下降
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VCO的性能指标—相噪声的影响

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上变频的情况 如果一个接收机接收一个微弱的 信号ω2，邻近信道ω1有一个大 功率的发射机，且伴随相噪声 的影响，则接收机收到的信号 将会严重失真。ω2 和ω1很近时 会使得问题更加严重 调制解调误差 对于某些正交调制方式（如 QPSK，和QAM），要求信号的相 位非常准确，LO的相噪声会对 信号的相位造成很大的影响， 使误码率增加

输出共模电平可以设计在1/2VDD处，从而可以增大 Varactor的电容调节范围； NMOS负阻对和PMOS负阻对共用尾电流源，产生两倍 的负阻值，节约了功耗； 可产生两倍的电压输出摆幅；因为该结构在振荡时， 流过RLC谐振腔中RP的电流是从+ISS变化为-ISS，而前 两种结构仅为0~ISS

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相噪声模型

Leeson模型
其中F是一个经验数值，不同的振荡器相差很大公式包含三项，分别在不同频率处 起主导作用
在给定的频偏处，相噪声随载波 功率和振荡器Q值增加而降低
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Pulling and Supply Pushing 注入锁定（Injection Pulling） 随着干扰幅度的增大，VCO的振荡频率逐渐改变成为 干扰信号的频率，称为注入锁定
RP RP
RP
C
L
C
L
C
L
两级，直流增益 太低，不会锁定。 谐振处总相移 360°，起振
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RP
C
L
RP
C
L
RP
C
L
RP
C
M1
M2
M1
M2
L
交叉耦合结构 IC中最常见的振荡 器形式， 提供差动输出信号
M2
起振条件：
C RP M1
RP g m1,2 >1 2
振荡的条件

振荡器是是一个自激系统，没有输入信号的情况下，输 出周期性的电压波形 反馈引起振荡 Vout Vin H(s) 系统的闭环传递函数
= G (s)

Vout ( s ) H (s) = Vin ( s ) 1 + H ( s )
高频下输出信号的相移大到一定程度，使得负反馈变 为正反馈，就可能发生振荡 振荡的必要条件 H ( jω0 ) = 1 Barkhausen H ( jω0 ) = −1 180 ∠H ( jω0 ) =° 准则 1 + H ( s) = 0
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射频微电子学
第9章 振荡器
西安交通大学·电子与信息工程学院 微电子学系 许江涛
jtxu@mail.xjtu.edu.cn
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本章内容

概述 振荡的条件

LC振荡器

压控振荡器（VCO） VCO的性能指标 正交信号的产生
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L C M1 M2
L C
L C M1 M2
L C
C L M1 M2
NMOS交叉对管 提供负阻，振荡 的直流电平为 VDD
振荡的直流 电平可以调 到VDD/2
CMOS结构：负 阻由PMOS和 NMOS对管共同 提供，降低功耗
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CMOS型振荡器的优点
2
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LC振荡器的单端口模型分析法

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单端口负阻模型


除了反馈分析法外，单端口模型分析LC振荡器更方便 如果并联LC网络没有寄生电阻，则只要加一个电压或 电流冲激，振荡就会持续下去 寄生电阻的存在使得振荡被衰减 将RLC网络等效为一个带电阻的谐振腔，再用有源电 路产生一个负阻抵消正电阻，使振荡得以维持