第一章前言 MOS管电容。PN结电容是在N阱上做一层p+有源区，从而实现一个pn-wll结电容： 外一类可变电容的实现方法是利用MOS管工作在不同的区域（强反型区、耗尽区和累积区） 从而改变电容值。根据MOS管的源极(S),漏极(D)以及衬底(B)的不同连接方法，使得MOS 管的电容可以分成三种不同的情况。 电感电容压控振荡器的两个基本无源器件的片上实现问题得到基本解决后，接着需要解 决的问题是选择合适的电路结构，优化片上电感、可变电容和MOS管的尺寸参数，使得压 控振荡器在相位噪声、功耗以及调谐范围等性能指标上达到一个最优结果。另外，具有正交 输出的压控振荡器的设计也是一个研究热点。 ·相位噪声理论和降噪技术 大多数情况下，压控振荡器的相位噪声性能是影响集成接收机灵敏度的最主要的因素。 理想的正弦波的频谱是一个脉冲函数，但是由于实际电路中存在噪声，振荡器输出的信号频 谱特性都有一定程度的相位噪声。电感电容压控振荡器的噪声主要来源于低Q值片上电感 中的串联电阻，开关差分对管和尾电流源。电路中的有源和无源器件的白噪声，在频偏较大 的频率上产生1/P特性的相位噪声：而闪烁噪声在频偏较小的频率范围产生1特性的相位 噪声。相位噪声对射频信号的混频非常不利，很大的相位噪声会将很强的邻近干扰信号混频 到信道中，造成信号频谱的阻塞现象，从而降低了信道中的信噪比。 在电感电容压控振荡器研究的不断深入的过程中，一个具有指导性的噪声理论一一振荡 器相位噪声产生机制和计算理论，也渐渐得以完善，该理论研究的突破为设计低相位噪声提 供了理论上的指导。 从振荡器的单个噪声源计算相位噪声特性主要有两种方法：第一种相位噪声理论由 Razavi等人提出，他们将振荡器等效为一个线性时不变系统，然后用正弦电压信号等效噪声 信号源注入到电路中的电压节点上：第二种方法是Ali Hajimiri等人在线性相位时变系统的 假设条件下，将噪声源看作为一个冲击电流源，观察输出的相位响应函数。前一种方法在频 偏较大的频率上的计算比较准确，但不适合频偏较近的上1/P特性区域：后一种方法由于采 用了谐波的互相混频调制的机制，因此在整个区域上都比较准确。 随着对压控振荡器的相位噪声产生的物理机制的渐渐认清，许多人提出了大量降低相位 噪声的方法，其中最具代表的技术是噪声滤波技术，闪烁噪声降低技术。这些技术的采用使 得在CMOS工艺实现的压控振荡器的相位噪声特性能够做到与双极工艺相当，甚至能够与 分立器件相媲美。 1.3论文研究的内容和贡献 本论文工作的主要内容和贡献包括： 1)提出了片上电感中金属间寄生电容等效模型，并且具体计算了两种硅基串联叠层电感的 等效电容，解释了单端3D串联叠层电感的自激振荡频率也能够做得很高的原因。 2)提出了两种提高电感品质因数的技术：金属线多通路并联和深阱反偏双PN结隔离。金 属线多通路并联技术用来减少高频时金属趋肤和邻近效应对电感串联电阻的影响：在硅 衬底上采用深阱反偏双PN结可以阻止衬底表面涡流的产生。 3)提出了采用阶跃可变电容的压控振荡器的频率一电压压控曲线分析方法。从时间域角度 对电感电容谐振电路的周期计算方法在理论上进行了系统推导，阐述了阶跃可变电容能 够进行频率控制的本质，得到了一种计算频率一电压压控曲线的有效方法。 4) 提出了振荡器设计中片上电感的最小R,/L设计原则，并且总结了振荡器设计和优化的 一般步骤。 5) 提出了感性压控端降噪技术，该技术消除了可变电容非线性对振荡器品质因数的影响， 并在很大程度上抑制了振荡波形中的偶次谐波分量。 电感电容压控振荡器 3
第一章 前言 电感电容压控振荡器 3 MOS 管电容。PN 结电容是在 N 阱上做一层 p+有源区，从而实现一个 p+ /n-well 结电容；另 外一类可变电容的实现方法是利用 MOS 管工作在不同的区域(强反型区、耗尽区和累积区) 从而改变电容值。根据 MOS 管的源极(S)，漏极(D)以及衬底(B)的不同连接方法，使得 MOS 管的电容可以分成三种不同的情况。 电感电容压控振荡器的两个基本无源器件的片上实现问题得到基本解决后，接着需要解 决的问题是选择合适的电路结构，优化片上电感、可变电容和 MOS 管的尺寸参数，使得压 控振荡器在相位噪声、功耗以及调谐范围等性能指标上达到一个最优结果。另外，具有正交 输出的压控振荡器的设计也是一个研究热点。 z 相位噪声理论和降噪技术 大多数情况下，压控振荡器的相位噪声性能是影响集成接收机灵敏度的最主要的因素。 理想的正弦波的频谱是一个脉冲函数，但是由于实际电路中存在噪声，振荡器输出的信号频 谱特性都有一定程度的相位噪声。电感电容压控振荡器的噪声主要来源于低 Q 值片上电感 中的串联电阻，开关差分对管和尾电流源。电路中的有源和无源器件的白噪声，在频偏较大 的频率上产生 1/f2 特性的相位噪声；而闪烁噪声在频偏较小的频率范围产生 1/f3特性的相位 噪声。相位噪声对射频信号的混频非常不利，很大的相位噪声会将很强的邻近干扰信号混频 到信道中，造成信号频谱的阻塞现象，从而降低了信道中的信噪比。 在电感电容压控振荡器研究的不断深入的过程中，一个具有指导性的噪声理论——振荡 器相位噪声产生机制和计算理论，也渐渐得以完善，该理论研究的突破为设计低相位噪声提 供了理论上的指导。 从振荡器的单个噪声源计算相位噪声特性主要有两种方法：第一种相位噪声理论由 Razavi 等人提出，他们将振荡器等效为一个线性时不变系统，然后用正弦电压信号等效噪声 信号源注入到电路中的电压节点上；第二种方法是 Ali Hajimiri 等人在线性相位时变系统的 假设条件下，将噪声源看作为一个冲击电流源，观察输出的相位响应函数。前一种方法在频 偏较大的频率上的计算比较准确，但不适合频偏较近的上 1/f3 特性区域；后一种方法由于采 用了谐波的互相混频调制的机制，因此在整个区域上都比较准确。 随着对压控振荡器的相位噪声产生的物理机制的渐渐认清，许多人提出了大量降低相位 噪声的方法，其中最具代表的技术是噪声滤波技术，闪烁噪声降低技术。这些技术的采用使 得在 CMOS 工艺实现的压控振荡器的相位噪声特性能够做到与双极工艺相当，甚至能够与 分立器件相媲美。 1.3 论文研究的内容和贡献 本论文工作的主要内容和贡献包括： 1) 提出了片上电感中金属间寄生电容等效模型，并且具体计算了两种硅基串联叠层电感的 等效电容，解释了单端 3D 串联叠层电感的自激振荡频率也能够做得很高的原因。 2) 提出了两种提高电感品质因数的技术：金属线多通路并联和深阱反偏双 PN 结隔离。金 属线多通路并联技术用来减少高频时金属趋肤和邻近效应对电感串联电阻的影响；在硅 衬底上采用深阱反偏双 PN 结可以阻止衬底表面涡流的产生。 3) 提出了采用阶跃可变电容的压控振荡器的频率－电压压控曲线分析方法。从时间域角度 对电感电容谐振电路的周期计算方法在理论上进行了系统推导，阐述了阶跃可变电容能 够进行频率控制的本质，得到了一种计算频率－电压压控曲线的有效方法。 4) 提出了振荡器设计中片上电感的最小 R L s 设计原则，并且总结了振荡器设计和优化的 一般步骤。 5) 提出了感性压控端降噪技术，该技术消除了可变电容非线性对振荡器品质因数的影响， 并在很大程度上抑制了振荡波形中的偶次谐波分量
第一章前言 6)根据数字电视调谐器中频率综合器的性能指标要求设计、实现和测试了两个电感电容压 控振荡器电路。 总的说来，本论文的工作是对前人的工作成果的大量调查和研究的基础上，在一些方面 提出了自己的想法和创新。在设计电感电容压控振荡器电路的时候，广泛采用一些成熟的技 术来提高压控振荡器的性能指标，以满足电视调谐器系统的要求。在论文的研究过程中，主 要完成了片上电感的设计和优化以及流片验证：完成了两个不同压控振荡器电路的设计，流 片与测试。 1.4论文组织结构 本论文对电感电容压控振荡器的理论和实现进行了系统的分析和研究，论文的具体组织 结构如下： 第二章“电感电容压控振荡器”简单介绍了振荡器的基本原理和振荡器的分类，同时对 不同类型振荡器的性能进行了比较。并针对一般窄带电感电容振荡器的基本问题进行论述， 分析了宽带电感电容压控振荡器的电路结构和正交输出压控振荡器的几种实现方法。 第三章“硅基片上螺旋电感”研究了硅基集成螺旋电感的仿真，设计与优化。提出了电 感金属间寄生电容的等效模型，并且具体计算了两种硅基串联叠层电感的等效电容，解释了 单端3D串联叠层电感的自激振荡频率也能够做得很高的原因。为了提高片上电感在工作频 段内的品质因数，提出了两种提高电感品质因数的技术：金属线多通路并联和深阱反偏双 PN结隔离。 第四章“可变电容特性分析”从时间域角度对电感电容谐振电路的周期计算方法在理论 上进行了系统推导，阐述了阶跃可变电容能够进行频率控制的本质，得到了一种计算频率 电压曲线的有效方法。仿真和测试验证结果表明用该方法计算的压控曲线与仿真和测试结果 非常吻合。 第五章“相位噪声分析”系统地分析了三种相位噪声模型：线性时不变模型，非线性时 不变模型和相位线性时变模型，为低噪声压控振荡器的设计优化奠定了坚实的理论基础。 第六章“压控振荡器的优化”详细分析了振荡器的内在振荡机制，总结了振荡器设计和 优化的一般步骤，提出了振荡器设计中片上电感的最小R,/L设计原则。 第七章“相位噪声降低技术”从线性时不变噪声模型出发，计算了压控振荡器相位噪声 的极限值。通过对电感电容压控振荡器相位噪声理论的深入研究，系统总结了几种相位噪声 降低技术，并且提出了感性压控端降噪技术。感性压控端降噪技术消除了可变电容非线性对 振荡器品质因数的影响，并在很大程度上抑制了振荡波形中的偶次谐波分量。 第八章“设计实例”根据数字电视调谐器中频率综合器的性能指标要求，详细论述了在 CSM0.35μn CMOS射频/混合信号工艺上的两个电感电容压控振荡器的实现。一个为 1.08GHz窄频带电感电容压控振荡器，另外一个为1.1一2.0GHz宽频带电感电容压控振荡器。 第九章“总结和展望”总结了本论文的工作，给出了今后需要进一步研究的方向。 参考文献 [1]J.C.Rudell,J.-J.Ou,T.B.Cho,G.Chien,F.Brianti,J.A.Weldon and P.R.Gray,"A 1.9-GHz wide-band IF double conversion CMOS receiver for cordless telephone applications,"IEEE J. Solid-State Circuits,vol.32,pp.2071-1088,Dec.1997. [2]A.Rofougaran,G.Chang,J.J.Rael,J.Y.C.Chang,M.Rofougaran,P.J.Chang,M.Djafari,M.-K.Ku, E.W.Roth,A.A.Abidi and H.Samueli,"A single-chip 900-MHz spread-spectrum wireless transceiver in Ium CMOS-Part I:architecture and transmitter design,"IEEE J.Solid-State Circuits,vol.33,pp. 515-534,April1998. 电感电容压控振荡器
第一章 前言 4 电感电容压控振荡器 6) 根据数字电视调谐器中频率综合器的性能指标要求设计、实现和测试了两个电感电容压 控振荡器电路。 总的说来，本论文的工作是对前人的工作成果的大量调查和研究的基础上，在一些方面 提出了自己的想法和创新。在设计电感电容压控振荡器电路的时候，广泛采用一些成熟的技 术来提高压控振荡器的性能指标，以满足电视调谐器系统的要求。在论文的研究过程中，主 要完成了片上电感的设计和优化以及流片验证；完成了两个不同压控振荡器电路的设计，流 片与测试。 1.4 论文组织结构 本论文对电感电容压控振荡器的理论和实现进行了系统的分析和研究，论文的具体组织 结构如下： 第二章“电感电容压控振荡器”简单介绍了振荡器的基本原理和振荡器的分类，同时对 不同类型振荡器的性能进行了比较。并针对一般窄带电感电容振荡器的基本问题进行论述， 分析了宽带电感电容压控振荡器的电路结构和正交输出压控振荡器的几种实现方法。 第三章“硅基片上螺旋电感”研究了硅基集成螺旋电感的仿真，设计与优化。提出了电 感金属间寄生电容的等效模型，并且具体计算了两种硅基串联叠层电感的等效电容，解释了 单端 3D 串联叠层电感的自激振荡频率也能够做得很高的原因。为了提高片上电感在工作频 段内的品质因数，提出了两种提高电感品质因数的技术：金属线多通路并联和深阱反偏双 PN 结隔离。 第四章“可变电容特性分析”从时间域角度对电感电容谐振电路的周期计算方法在理论 上进行了系统推导，阐述了阶跃可变电容能够进行频率控制的本质，得到了一种计算频率－ 电压曲线的有效方法。仿真和测试验证结果表明用该方法计算的压控曲线与仿真和测试结果 非常吻合。 第五章“相位噪声分析”系统地分析了三种相位噪声模型：线性时不变模型，非线性时 不变模型和相位线性时变模型，为低噪声压控振荡器的设计优化奠定了坚实的理论基础。 第六章“压控振荡器的优化”详细分析了振荡器的内在振荡机制，总结了振荡器设计和 优化的一般步骤，提出了振荡器设计中片上电感的最小 R L s 设计原则。 第七章“相位噪声降低技术”从线性时不变噪声模型出发，计算了压控振荡器相位噪声 的极限值。通过对电感电容压控振荡器相位噪声理论的深入研究，系统总结了几种相位噪声 降低技术，并且提出了感性压控端降噪技术。感性压控端降噪技术消除了可变电容非线性对 振荡器品质因数的影响，并在很大程度上抑制了振荡波形中的偶次谐波分量。 第八章“设计实例”根据数字电视调谐器中频率综合器的性能指标要求，详细论述了在 CSM 0.35µm CMOS 射频/混合信号工艺上的两个电感电容压控振荡器的实现。一个为 1.08GHz 窄频带电感电容压控振荡器，另外一个为 1.1－2.0GHz 宽频带电感电容压控振荡器。 第九章“总结和展望”总结了本论文的工作，给出了今后需要进一步研究的方向。 参考文献 [1] J. C. Rudell, J.-J. Ou, T. B. Cho, G. Chien, F. Brianti, J. A. Weldon and P. R. Gray, “A 1.9-GHz wide-band IF double conversion CMOS receiver for cordless telephone applications,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 32, pp. 2071-1088, Dec. 1997. [2] A. Rofougaran, G. Chang, J. J. Rael, J. Y. C. Chang, M. Rofougaran, P. J. Chang, M. Djafari, M.-K. Ku, E. W. Roth, A. A. Abidi and H. Samueli, “A single-chip 900-MHz spread-spectrum wireless transceiver in 1µm CMOS－Part I: architecture and transmitter design,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 33, pp. 515-534, April 1998
第一章前言 [3]A.Rofougaran,G.Chang,J.J.Rael,J.Y.C.Chang,M.Rofougaran,P.J.Chang,M.Djafari,J.Min,E. W.Roth,A.A.Abidi and H.Samueli,"A single-chip 900-MHz spread-spectrum wireless transceiver in lum CMOS-Part II:receiver design,"IEEE J.Solid-State Circuits,vol.33,pp.535-547,April 1998. [4]Real-Word Technology Ltd,Website,http://www.rwt.co.uk/. [5]Jim Douglass,EE Times,http://www.eedesign.com/story/OEG20020911S0034. [6]Microtune Inc.MicrotunerTM 2040 Data Sheet. [7]Motorola Inc.Silicon Tuner MC44C800/MC44C801 Fact Sheet. 电感电容压控振荡器 5
第一章 前言 电感电容压控振荡器 5 [3] A. Rofougaran, G. Chang, J. J. Rael, J. Y. C. Chang, M. Rofougaran, P. J. Chang, M. Djafari, J. Min, E. W. Roth, A. A. Abidi and H. Samueli, “A single-chip 900-MHz spread-spectrum wireless transceiver in 1µm CMOS－Part II: receiver design,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 33, pp. 535-547, April 1998. [4] Real-Word Technology Ltd, Website, http://www.rwt.co.uk/. [5] Jim Douglass, EE Times, http://www.eedesign.com/story/OEG20020911S0034. [6] Microtune Inc. MicrotunerTM 2040 Data Sheet. [7] Motorola Inc. Silicon Tuner MC44C800/MC44C801 Fact Sheet
第二章电感电容压控振荡器 第二章 电感电容压控振荡器 振荡器是许多电子系统的重要单元之一，例如：晶体振荡器，微处理器的时钟产生电路 和无线接收机中的本机振荡电路。晶体振荡器的频率比较低，一般在1OMHz以下，但其相 位噪声(Phase Noise)和相位抖动(Timing Jitter)可以做得很好。微处理器时钟产生电路的频率 一般从几MHz到2-3GHz,该电路通常要求有很大的频率调节范围，相位噪声要求一般都比 较低。无线接收机中的本振振荡电路的相位噪声要求一般都比较高，例如GSM接收机中的 本机振荡器的相位噪声要求600KHz频偏时达到-127dBc。目前商用的GSM/CDMA/WLAN/ 等无线接收机的频率调谐范围比较小，20%左右（一般在50-200MHz范围）。对于像数字电视 调谐器(TV Tuner)等宽频带接收机系统要求调谐范围达到50%(1GHz-2GHz)。这样对于压控 振荡设计来说，就存在许多需要解决的关键技术：低噪声，宽调谐范围，低功耗等等。对于 不同性能要求的系统，压控振荡器的类型和电路结构也不同。 本章将首先简单介绍振荡器的基本原理和振荡器的分类，并对不同类型振荡器的性能进 行比较。接着将针对一般窄带电感电容振荡器的基本问题进行论述。最后对宽带电感电容压 控振荡器的电路结构，正交输出压控振荡器的电路实现方法也都进行了分析。 2.1振荡器的基本原理 振荡器就是在只有直流电源供电的情况下，产生周期变化的电压信号的电路。通常情况 下，任何振荡器都可以看作是一个两端负反馈系统，或者是一个单端能量补偿系统。环形振 荡器(Ring-Oscillator)和电感电容谐振回路振荡器(LC-Tank Oscillator）是目前运用最最广泛 的两种振荡器。环形振荡器是将奇数个倒相器串联形成一个回路，其振荡频率受倒相器延时 的控制。电感电容谐振回路振荡器是电感与电容相并联或者串联产生谐振，其振荡频率可以 由压控可变电容来实现。环形振荡器的频谱特性一般比电感电容谐振振荡器要差，但是电感 电容振荡器受到无源器件（片上电感和可变电容）的品质因数的制约。在实际应用中，往往根 据分析的方便，环形振荡器采用两端负反馈系统分析方法，电感电容谐振回路振荡器采用单 端能量补偿系统分析方法[1]。 2.1.1两端负反馈系统分析 我们知道振荡器是一个没有输入只有输出的电路，为什么振荡器会一直振荡下去呢？它 的物理机制是什么呢？为了弄清振荡器振荡的物理机制，我们可以借鉴负反馈系统频响特性 曲线来分析振荡器。图2.1()是一个单输入、单输出的负反馈系统，该系统的开环传递函数 为H(s),则其闭环传递函数可以表示为： 会品 (2.1) 当s=j0。,H(j@。)=-1时，负反馈系统输出为无穷大。这样系统中的任何节点上有一 个小的抖动或者噪声都能够使得系统发生振荡，这时候负反馈系统变成正反馈。这种情况在 运算放大器设计中是绝对不允许的，然而对于振荡器来说，振荡器电路就必须工作在正反馈 情况下。 总的来说，一个负反馈系统必须满足以下两个Barkhausen振荡原则，电路才能够在频 率点o,上发生振荡。 电感电容压控振荡器 7
第二章 电感电容压控振荡器 电感电容压控振荡器 7 第二章 电感电容压控振荡器 振荡器是许多电子系统的重要单元之一，例如：晶体振荡器，微处理器的时钟产生电路 和无线接收机中的本机振荡电路。晶体振荡器的频率比较低，一般在 10MHz 以下，但其相 位噪声(Phase Noise)和相位抖动(Timing Jitter)可以做得很好。微处理器时钟产生电路的频率 一般从几 MHz 到 2-3GHz，该电路通常要求有很大的频率调节范围，相位噪声要求一般都比 较低。无线接收机中的本振振荡电路的相位噪声要求一般都比较高，例如 GSM 接收机中的 本机振荡器的相位噪声要求 600KHz 频偏时达到-127dBc。目前商用的 GSM/CDMA/WLAN/ 等无线接收机的频率调谐范围比较小，20%左右(一般在 50-200MHz 范围)。对于像数字电视 调谐器(TV Tuner)等宽频带接收机系统要求调谐范围达到 50%(1GHz-2GHz)。这样对于压控 振荡设计来说，就存在许多需要解决的关键技术：低噪声，宽调谐范围，低功耗等等。对于 不同性能要求的系统，压控振荡器的类型和电路结构也不同。 本章将首先简单介绍振荡器的基本原理和振荡器的分类，并对不同类型振荡器的性能进 行比较。接着将针对一般窄带电感电容振荡器的基本问题进行论述。最后对宽带电感电容压 控振荡器的电路结构，正交输出压控振荡器的电路实现方法也都进行了分析。 2.1 振荡器的基本原理 振荡器就是在只有直流电源供电的情况下，产生周期变化的电压信号的电路。通常情况 下，任何振荡器都可以看作是一个两端负反馈系统，或者是一个单端能量补偿系统。环形振 荡器(Ring-Oscillator)和电感电容谐振回路振荡器(LC-Tank Oscillator) 是目前运用最最广泛 的两种振荡器。环形振荡器是将奇数个倒相器串联形成一个回路，其振荡频率受倒相器延时 的控制。电感电容谐振回路振荡器是电感与电容相并联或者串联产生谐振，其振荡频率可以 由压控可变电容来实现。环形振荡器的频谱特性一般比电感电容谐振振荡器要差，但是电感 电容振荡器受到无源器件(片上电感和可变电容)的品质因数的制约。在实际应用中，往往根 据分析的方便，环形振荡器采用两端负反馈系统分析方法，电感电容谐振回路振荡器采用单 端能量补偿系统分析方法[1]。 2.1.1 两端负反馈系统分析 我们知道振荡器是一个没有输入只有输出的电路，为什么振荡器会一直振荡下去呢？它 的物理机制是什么呢？为了弄清振荡器振荡的物理机制，我们可以借鉴负反馈系统频响特性 曲线来分析振荡器。图 2.1(a)是一个单输入、单输出的负反馈系统，该系统的开环传递函数 为 H ( )s ，则其闭环传递函数可以表示为： ( ) ( ) 1 ( ) out in V H s s V Hs = + (2.1) 当 0 s = jω ， H j ( ω0 ) = −1时，负反馈系统输出为无穷大。这样系统中的任何节点上有一 个小的抖动或者噪声都能够使得系统发生振荡，这时候负反馈系统变成正反馈。这种情况在 运算放大器设计中是绝对不允许的，然而对于振荡器来说，振荡器电路就必须工作在正反馈 情况下。 总的来说，一个负反馈系统必须满足以下两个 Barkhausen 振荡原则，电路才能够在频 率点ω0 上发生振荡
第二章电感电容压控振荡器 (a) () (c) 图2.1振荡器的负反馈形式 A2 An 图2.2N级全差分环形振荡器 。振荡器系统的开环增益H(j@。)≥1： ·振荡器系统的开环相位偏移为180°。 在实际电路设计中，振荡器的开环增益往往是计算值的2-3倍。这主要是为了克服工艺 和温度的偏差，以及由于电路非线性造成的开环增益的下降。 振荡器的负反馈表示形式（图2.1(a)中的正向开环传递函数的相位偏移180°，反向反馈 通路的相位偏移也是180°，因此整个开环的相位偏移为360°。图2.1(b)是振荡器的正反馈 表示形式，为了保证振荡器起振，正向开环传递函数的相位偏移360°，且满足H(U@)≥1。 相位偏移360°也就是正反馈系统的输入与输出相位相同，因此图2.1(c)与图2.1(b)是等价的。 N级N为奇数)全差分环形振荡器电路如图2.2所示。假设每一级的直流增益为Ao,并且 每一级倒相器只有一个极点®。，则环形振荡器的环路传递函数为， H(s)=- (2.2) 1+@ 奇数级倒相器固有的且与频率无关的相位偏移为180°，式子(2.2)的相位偏移为180°就 能够满足环形振荡器相移360°的要求。故 tan=180 180 →0ac=oo·tan (2.3) @。N 同时必须满足环路增益为1的要求， (2.4) +a 从式子(2.3)和(2.4)，可以计算出每一级倒相器的直流增益必须满足， 电感电容压控振荡器
第二章 电感电容压控振荡器 8 电感电容压控振荡器 z 振荡器系统的开环增益 ( ) 0 H jω ≥ 1； z 振荡器系统的开环相位偏移为 180º。 在实际电路设计中，振荡器的开环增益往往是计算值的 2-3 倍。这主要是为了克服工艺 和温度的偏差，以及由于电路非线性造成的开环增益的下降。 振荡器的负反馈表示形式(图 2.1(a))中的正向开环传递函数的相位偏移 180º，反向反馈 通路的相位偏移也是 180º，因此整个开环的相位偏移为 360º。图 2.1(b)是振荡器的正反馈 表示形式，为了保证振荡器起振，正向开环传递函数的相位偏移 360º,且满足 ( ) 0 H jω ≥ 1。 相位偏移 360º也就是正反馈系统的输入与输出相位相同，因此图 2.1(c)与图 2.1(b)是等价的。 N 级(N 为奇数)全差分环形振荡器电路如图 2.2 所示。假设每一级的直流增益为 A0,并且 每一级倒相器只有一个极点ω0 ，则环形振荡器的环路传递函数为， ( ) 0 0 1 n n A H s jω ω = − ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ + ⎝ ⎠ (2.2) 奇数级倒相器固有的且与频率无关的相位偏移为 180º，式子(2.2)的相位偏移为 180º就 能够满足环形振荡器相移 360º的要求。故 1 0 0 180 180 tan tan osc osc N N ω ω ω ω ° ° − ⎛ ⎞ = ⇒ =⋅ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ (2.3) 同时必须满足环路增益为 1 的要求， 0 2 0 1 1 n n osc A ω ω = ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ + ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ (2.4) 从式子(2.3)和(2.4)，可以计算出每一级倒相器的直流增益必须满足， + - - + + - - + + - - + A1 A2 An … 图 2.2 N 级全差分环形振荡器 ∑ H( ) jω ∑ H( jω) ∑ H( ) jω 180° 360° 0 ° (a) (b) (c) Vin Vout Vin Vout Vin Vout 图 2.1 振荡器的负反馈形式