1、CN 1122223 N 清華大學學報 (自然科學版 J T singhua U niv (Sci &Tech , 2006年 第 46卷 第 7期2006, V o l . 46, N o . 740 41133721340具有自動振幅控制的 C MO S 壓控振蕩器張利 , 吳恩德 , 王志華 , 陳弘毅(清華大學 微電子學研究所 , 北京 100084收稿日期 :2005205212基金項目 :國家自然科學基金資助項目 (60475018 作者簡介 :張利 (19792 , 男 (漢 , 黑龍江 , 博士研究生 。 通訊聯系人 :陳弘毅 , 教授 , E 2m ail :chy

2、2i m e tsinghua . edu . cn摘要 :調頻范圍是壓控振蕩器的一個重要的性能指標 , 當 調頻范圍增大時 , 振蕩器的振幅會隨著頻率的不同而改變 。 為了保證壓控振蕩器在調頻范圍內振幅恒定 , 提出了一種新 型的自動振幅控制的電路結構 。 測 、 。 電 路采用標準的 0. m M O S 。 測試結 果表明 :壓控振蕩器的調頻范圍為 18. 2M H z 24. 3M H z , 達到了 28. 7%, 自動振幅控制電路保證壓控振蕩器的振幅 變化僅為 8. 7%。關鍵詞 :互補 2M O S 型集成電路 ; 壓控振蕩器 ; 自動振幅控制 ; 峰值檢測 ; 調頻范圍中圖分類

3、號 :TN 432文獻標識碼 :A文章編號 :100020054(2006 0721337204C MOS voltage -con trolled osc illa tor w ith automa tic am plitude con trolZH ANG L i , W U Ende , W ANG Zhihua , CHEN Hongyi(I n stitute of M icroelectron ics , Tsi nghua Un iversity ,Be ij i ng 100084, Ch i na Abstract :T he tuning range is an i m p

4、o rtant perfo r m ance param eter of vo ltage 2contro lled o scillato rs (V CO , but as the tuning range increases, the o scillato r amp litude w ill vary at different frequencies . T h is paper p resent a circuit fo r autom atic amp litude contro l that ensures that the o scillato rs amp litude rem

5、 ains constant .T heautom atic amp litude contro l uses a peak detecto r, a comparato r and a low pass filter . T he autom atic amp litude contro l is conrected to the V CO by a feedback loop to keep the V CO output constant . T he circuits w ere fabricated using a standard 0. 35m comp lem entary m

6、etal oxide sem iconducto r (CM O S p rocess . T he m easured V CO tuning range w as from 18. 2M H z to 24. 3M H z, fo r a range of 28. 7%w hile the autom atic amp litude contro l circuit ensures that the V CO amp litude only varies by 8. 7%.Key words :comp lem entarym etaloxidesem iconducto r;vo lta

7、ge 2contro lledo scillato r; autom aticamp litudecontro l; peak detecto r; tuning range, 。 例如在無線 , 4。隨著 C M O S (com 2p lem en tary m etal ox ide sem iconducto r 工藝特征尺寸的降低 、 集成度的提高 , 高度集成的頻率綜合器有 利于提高收發機整體性能 , 減少片外元件 , 從而降低 成本 、 減少功耗 。 壓控振蕩器作為頻率綜合器中最重 要的電路單元 , 它的性能 (主要是相位噪聲和調頻范 圍 決定著頻率綜合器的性能 。在 C M O

8、 S 工藝中 , 壓控振蕩器可以利用環形振 蕩器和 L C (inductance 2cap acitance 振蕩器兩種方 式實現 。 環形振蕩器結構簡單 , 占用的面積小 , 但是 相位噪聲性能差 、 功耗比較大 。 L C 振蕩器雖然占用 的面積大 , 但是相位噪聲性能比較優越 。本文采用了 L C 振蕩器的結構形式設計了一個壓 控振蕩器 。電感利用片外元件實現 。變容管采用標準 的 NM O S (n 2type m etallic ox ide sem iconducto r field effect tran sisto r 管構成 。 采用了 6位二進制開關電容陣列擴大壓控振蕩器

9、的頻率調節范圍 5。壓控振蕩器調頻范圍比較大時 , 隨著頻率的不 同 , 振蕩器輸出的幅度隨之改變 。 一些文獻中介紹了 壓控振蕩器的自動振幅控制 6, 7, 均采用 B i po lar 工 藝實現 。本文提出了一種利用 C M O S 實現的壓控振 蕩器振幅控制的方法 , 使得壓控振蕩器在輸出不同 頻率時 , 輸出的幅度保持恒定 。1壓控振蕩器振幅變化原因壓控振蕩器的振幅會隨輸出頻率的不同而改 變 。 壓控振蕩器工作在電流限制區 , 相位噪聲性能比較優越 8, 下面對工作在電流限制區的壓控振蕩器 進行分析 。電流限制區的壓控振蕩器的振幅表示為V tan k I tai l R eq , (

10、1 其中 :V tank 為壓控振蕩器的振幅 , I tail 為振蕩器中的電流 , R eq 為諧振回路等效并聯電阻 。 R eq 的表達式為R eq (0L 2r s ,(2其中 :0為振蕩頻率 , L 為電感值 , r s 為電感中的 串聯損耗電阻 。可以看出 R eq 是隨著頻率改變的量 , 因此頻率范 圍變化較大時 , 振幅 V tank 也會隨之改變 。 另外 , 希望 振幅保持恒定 , 可以通過控制壓控振蕩器中的電流 得以實現 , 21所示 。圖 1中 電阻 R 1與電容 C 1構成低通濾波器 , V CTR 為壓控振蕩器的控制電壓 。 壓控振蕩器的輸出 信號經過峰值檢測器以后

11、, 與參考電壓 V R EF 進行比 較 , 比較以后的信號經過低通濾波去控制 NM O S 管 M 9, 改變輸入到壓控振蕩器的電流 。 壓控振蕩器 、 峰值檢測器 、 比較器和低通濾波器構成一個反饋環 路 , 保證壓控振蕩器的輸出幅度保持恒定。 圖 1帶有自動振幅控制的壓控振蕩器的原理圖 壓控振蕩器的設計指標是工作在 3080M H z 。 電感 L 1達到 4. 7H , 只能利用片外元件實現 。片外 元件引入的寄生電容以及版圖中的寄生電容使得總 的寄生電容達到 11p F , 導致測試結果壓控振蕩器 的振蕩頻率僅為 20M H z 左右 , 以后設計中需要減小 寄生電容的影響 , 但是

12、自動幅度控制電路的效果仍 然十分明顯 。圖 1中 M 2、 M 3和 M 6、 M 7構成負阻 , 抵消電感及電容中損耗電阻的影響 。 PN 節構成的變容管調節范圍小 、 Q 值 (品質因數 低 , 僅為 20左右 9, 因 此本設計中采用 NM O S 管 M 4、 M 5構成變容管 。 壓 控 振蕩器采用 6b it 二進制開關電容陣列擴大調頻 范圍 。 二進制開關電容陣列是指電容陣列中最小的 電容值 , 假設為 C , 則陣列中第 2位的電容值為 2C , 以此類推 , 第 6位的電容值為 32C 。假設電感值為 L , L C 的諧振頻率公式為f =2L C(3 根據式 (3 。 壓控

13、振蕩器 , 直流值也 , 壓控振蕩器在端口正輸 入 、 負輸入輸入信號 , 然后經過 C 2、 R 2和 C 3、 R 3濾除 直流 , 并將信號的直流設在 V R EF1的電壓值上 。 這種 方法有另外一個好處就是這個信號作為壓控振蕩器 輸出緩沖器的輸入信號 , 由于直流穩定降低了緩沖 器的設計難度 。 在 NM O S 管 M 1、 M 2的漏極輸出檢 測以后的信號 , M 1和 M 2相當于將壓控振蕩器的 輸出信號整流 。圖2峰值檢測器的原理圖比較器是利用一級運算放大器實現的 , 其結構 如圖 3所示 。圖 3比較器的原理圖 在電路參數的選取過程中 , 需要保證反饋環路 的相位裕度 ,

14、確保整個環路不會振蕩 。 另外 , 環路的 環路帶寬要遠遠小于將來應用的鎖相環的環路帶 寬 , 以免影響鎖相環的正常工作 。3仿真和測試結果壓控振蕩器的振幅控制過程如圖 4所示 , 振蕩 器起振以后 10s 左右 , 壓控振蕩器幅度控制電路開 始起作用 , 在 25s 左右 , 振蕩器的直流及振幅基本 穩定下來。 圖 4壓控振蕩器的振幅控制過程設計的壓控振蕩器及自動振幅控制電路最終利 用 0. 35m C M O S 工藝流片 。 設計的版圖如圖 5所 示 , 其中方框部分為自動振幅控制電路 。 測試的壓控 振蕩器的調頻范圍的結果如圖 6所示 , 通過設定不 同電容開關的值 , 壓控振蕩器的調

15、頻范圍為 18. 2M H z24. 3M H z , 達到了 28. 7% 。 圖 5自動振幅控制電路的版圖自動振幅控制電路的測試結果見圖 7。沒有自動 幅度控制電路作用的振蕩器 , 在調頻范圍內振蕩波形 的峰峰值從 1. 002V 變化到 1. 783V , 變化了 77. 9%。 加入自動振幅控制電路以后 , 振蕩器振蕩波形的峰峰 值從 1V 變化到 1. 087V , 僅變化了 8. 7%。圖 6圖 7自動幅度控制的效果4結論提出了一種自動振幅控制的電路結構 , 保證在 調頻范圍內壓控振蕩器的振幅保持恒定 。 電路結構 采用標準的 0. 35m C M O S 工藝流片并最終進行測 試

16、 。 測試結果表明自動振幅控制電路的效果是十分 明顯的 , 在壓控振蕩器 28. 7%的調頻范圍內 , 自動振 幅控制電路保證壓控振蕩器的振幅變化僅為 8. 7%。 使得壓控振蕩器滿足跳頻應用要求 。參考文獻 (References 1R ategh H R , Sam avati H , L ee T H. A CM O S frequency synthesizer w ith an injecti on 2locked frequency divider fo r a 52GH z w ireless LAN receiver J.IE E E J S olid 2S tateC irc

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22、rcu its , 2000, 35(1 :100103.科技簡訊 清華大學 2005年度國家自然科學基金結題項目材料提交工作順利完成清華大學 2005年度國家自然科學基金項目材料提交工作于 3月下旬順利完成 。本年度清華大學承擔的 各類國家基金項目進展情況良好 , 在研項目 458項 , 基本按年度計劃執行 , 均按時上報進展報告 。 面上項目 、 重點項目 、 杰出青年基金 (包括海外 、 香港 、 澳門青年學者合作研究項目 等各類項目結題 250項 (不包括基金 委國際合作項目 。從清華大學轉出基金項目 29項 , 從外單位轉入清華大學基金項目 4項 。從分析年度進展 報告 、 結題報告及項目抽查情況看 , 清華大學絕大多數項目能夠做到人員落實 , 經費支出合理 , 完成或基本完 成了年度計劃 。本年度各類結題項目向基金委提交論文的質量和數量都較往年有大幅度