振荡器 Oscillator
基于谐振器的振荡器
-– LC VCO作为集成 VCO 受欢迎。
无谐振器
-–作为集成VCO最受欢迎的 Ring VCO
图 1 振荡器的两种结构
选择哪种？
振荡器和压控振荡器
图 2 振荡器
噪声和调谐范围之间的根本权衡
最佳振荡器设计不一定能保证最佳VCO
压控振荡器 VCO 设计考虑：
压控振荡器电路结构
结构
–LC 还是环形？
–差分还是单端？
调谐范围
–调谐范围和噪声之间的基本权衡
–输入控制电压范围和电荷泵CP输出电压符合性
噪声
–随机噪声–VCO增益，Q，…
–确定性噪声-PSRR，衬底噪声耦合，…
能耗
–高频 LC
输出幅度
–检查分频器的驱动能力
振荡条件
–仔细检查工艺角PVT变化
压控振荡器品质因数 FOM Figure-of-Merit
以上各项：
1， 传统的
2，具有归一化功率（RFIC’00，Plouchart等。）
3，包括调谐范围FTR [％]
4，具有归一化功率，（ISSCC’05，Kim等。）包括调谐范围和温度（JSSC’01，Ham等人）
图 3 压控振荡器品质因数
振荡条件：
图 4 振荡器振荡条件
注：巴克豪森 Barkhausen标准是正向反馈，既：
自限振荡器
–电路饱和极限幅度 –开环增益= 1
–非线性行为 –难以预测
自动电平控制
–允许振荡器以线性模式输出正弦波
–额外的噪音和功耗贡献
图 5 自限振荡器 自动电平控制
环路振荡器
集成度高，调谐范围广
受欢迎低成本片上VCO
图 6 环路振荡器 — 单端 — 差分
三级环路振荡器
图 7 三级环路振荡器
振幅限制
振幅限制
图 8 小信号（初始频率） 大信号（稳态频率）
考考你
图 9 考眼力，能不能振荡？
答案：
在无穷大的频率处可能会发生180的相移 –但无穷大时环路增益不能大于1。
–无法振荡！
可变延迟线（单端）
低速运行，非常紧凑
产生开关噪声
图 10 电流饥渴型 可变负载 可变电源
具有复制偏置的有源负载Replica Biasing
图 11 具有复制偏置的有源负载
复制偏置使电压摆幅恒定线性 电流-频率 传递函数
带有相位插值的振动循环二色性vibrational circular dichroism (VCD)
基于相位插值的VCD
-宽带操作
-可以差分输入
带有正向反馈的振动循环二色性VCD
图 12 带有相位插值的VCD
图 13 带有正向反馈的VCD
环形VCO抖动分析
低抖动设计需要高输出摆幅
高摆率意味着高功耗
图 14 反相门链输出波形
图 15 时序抖动第一级穿越近似
差分环路压控振荡器设计流程：
设置IDD和级数（速度和功率）
设置VSW和Gm（启动和噪声）
设定负载灵敏度KR
（复制偏压）-从小KR开始
调谐范围？ — 相位噪声
增加KR
低频下环路压控振荡器
环路振铃VCO可在极低频下运行
–增加级数
–降低偏置电流
–增加晶体管面积（同时增加L和W）
图 16 压控振荡器电路结构
松弛压控振荡器
单级操作
时序电容定义明确
松弛压控振荡器
图 17 带接地电容 带浮动电容
带浮动电容的松弛压控振荡器
频率由电容，电流和阈值定义。
比较器和电流开关限制了速度性能。
在UP / DN电流不匹配时，难以获得50％的占空比
图 18 带接地电容的松弛压控振荡器
带浮动电容
单级和对称结构
性能受到非线性负载的限制。
–在CMOS中不多见
图 19 带浮动电容的松弛压控振荡器
频率计算
图 20 频率计算
假设M1,3开和M2,4关, 然后
当 
时, M2导通
然后，Y节点的导通电压为:
最大摆幅电压变为：
于是振荡周期为
有恒定振幅的松弛压控振荡器
频率由电容，电流和电压摆幅定义
单级差动操作具有低功耗和低噪声特性，
可通过多个时序电容器进行广泛调谐
图 21 有恒定振幅的松弛压控振荡器
图 22 案例电路图
差分环路压控振荡器设计流程
设置IDD和级数（速度和功率）
设置VSW和Gm（启动和噪声）
设定负载灵敏度KR
（复制偏压）-从小KR开始
调谐范围？ — 相位噪声
增加KR
调谐范围 TuningRang = (较高频率-较低频率) / 中央频率
图 23 本案例电路原理图
图 24 本案例电路结构图