摘要：提高壓控振蕩器(VCO)的頻率穩(wěn)定度和噪聲抑制能力，是基于反饋控制原理與GPS馴服校頻技術(shù)頻標(biāo)產(chǎn)生電路獲得高穩(wěn)定度、高準(zhǔn)確率的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的關(guān)鍵。綜合差分對型VCO，LC型VCO的優(yōu)點(diǎn)，研究壓控振蕩器的噪聲與頻率調(diào)節(jié)范圍及穩(wěn)定時(shí)間的關(guān)系，設(shè)計(jì)一種全差分結(jié)構(gòu)的LC型壓控振蕩器(使用COMS電容陣列作LC元件)，具有較高的電源噪聲和襯底噪聲抑制能力。仿真結(jié)果表明，該壓控振蕩器的頻率穩(wěn)定時(shí)間短，準(zhǔn)確度鎖定在GPS標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度上。
目前，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，時(shí)頻測量對時(shí)間頻率的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度等技術(shù)指標(biāo)的測試要求越來越高，現(xiàn)在許多電子儀器內(nèi)部已經(jīng)采用了銣鐘時(shí)基。如果仍使用過去的銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)或晶體振蕩電路頻率作為計(jì)量測試標(biāo)準(zhǔn)，那么，計(jì)量測試頻率準(zhǔn)確度的要求將無法得到保證。而基于GPS校頻的高精度寬帶頻率測量技術(shù)，為經(jīng)濟(jì)、便捷的高精度寬帶頻率測量提供了一個(gè)技術(shù)支持和解決方案。該方案的要點(diǎn)是通過GPS信息中的1pps(秒脈沖)精確定時(shí)信號(hào)，利用時(shí)間間隔測量技術(shù)，與本地頻標(biāo)的分頻信號(hào)進(jìn)行比對，生成誤差控制電壓，對壓控振蕩器頻率進(jìn)行準(zhǔn)確控制與調(diào)節(jié)，極大地提高振蕩頻率的精度與穩(wěn)定性。其中壓控振蕩器是該環(huán)路中的重要部分，它的穩(wěn)定性和頻率調(diào)節(jié)范圍在很大程度上決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及精度。因此對壓控振蕩器的研究與設(shè)計(jì)是本方案的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。本文首先簡介了基于反饋控制原理與GPS馴服校頻技術(shù)，獲得高穩(wěn)定度、高準(zhǔn)確率標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的基本原理及電路組成，然后重點(diǎn)分析各類壓控振蕩器的噪聲與頻率調(diào)節(jié)范圍及穩(wěn)定時(shí)間的關(guān)系，設(shè)計(jì)了一款指標(biāo)優(yōu)化的壓控振蕩器。
1 基于反饋控制原理與GPS馴服校頻技術(shù)頻標(biāo)產(chǎn)生電路的基本原理
基于GPS校頻的高精度寬帶測頻技術(shù)關(guān)鍵是通過GPS定時(shí)信號(hào)控制振蕩器產(chǎn)生高穩(wěn)定度和高準(zhǔn)確率的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)，圖1是一個(gè)基于反饋控制原理與GPS馴服校頻技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)頻率產(chǎn)生電路。
它是一個(gè)閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，主要由GPS接收器、時(shí)間間隔測量環(huán)節(jié)、數(shù)據(jù)控制與處理環(huán)節(jié)、誤差控制電壓產(chǎn)生環(huán)節(jié)、壓控振蕩器(VCO)、分頻器等5部分組成。GPS接收器接收衛(wèi)星信號(hào)產(chǎn)生的1pps信號(hào)，利用該信號(hào)采用高精度時(shí)間間隔測量技術(shù)，將其與本地頻標(biāo)的分頻信號(hào)進(jìn)行比較，按照相位差的變化速率計(jì)算出相對頻差，形成誤差控制電壓，反饋到本地壓控振蕩器，調(diào)節(jié)振蕩器輸出信號(hào)頻率直至分頻輸出頻率與GPS秒脈沖頻率相等時(shí)，誤差控制電壓接近于零，系統(tǒng)最終處于平衡狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對輸入信號(hào)(GPS)的跟蹤和鎖定。把本地頻標(biāo)的準(zhǔn)確度鎖定在GPS標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度上，從而實(shí)現(xiàn)對高穩(wěn)定晶體振蕩頻率的馴服和調(diào)節(jié)，提高頻標(biāo)振蕩器的精確度和穩(wěn)定性。
2 壓控振蕩器的特點(diǎn)分析
基于反饋控制原理與GPS馴服校頻技術(shù)頻標(biāo)產(chǎn)生電路的精確度和穩(wěn)定性主要取決于環(huán)路中的壓控振蕩器。壓控振蕩器(VCO)是一個(gè)電壓一頻率轉(zhuǎn)換電路，在環(huán)路中作為被控振蕩器，它的輸出頻率應(yīng)隨控制電壓線性地變化，一個(gè)理想的壓控振蕩器其輸出頻率和輸入頻率的關(guān)系有：
式中：KVCO為壓控振蕩器的增益。在實(shí)際應(yīng)用中，壓控振蕩器的線性范圍有限，超出這個(gè)范圍之后，環(huán)路的參數(shù)就會(huì)變化較大，不利于環(huán)路設(shè)計(jì)。通常評(píng)價(jià)VCO的好壞主要有以下指標(biāo)：
(1)低抖動(dòng)或低相位噪聲：由于電路結(jié)構(gòu)、電源噪聲以及地噪聲等因素的影響，VCO的輸出信號(hào)并不是一個(gè)理想的方波或正弦波，其輸出信號(hào)存在一定的抖動(dòng)，轉(zhuǎn)換成頻域后可以看出信號(hào)中心頻率附近也會(huì)有較大的能量分布，即是所謂的相位噪聲。VCO輸出信號(hào)的抖動(dòng)直接影響其他電路的設(shè)計(jì)，通常希望VCO的抖動(dòng)越小越好。
(2)寬調(diào)頻范圍：VCO的調(diào)節(jié)范圍直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)范圍，通常隨著工藝偏差、溫度以及電源電壓的變化，VCO的鎖定范圍也會(huì)隨著變化，因此要求VCO有足夠?qū)挼恼{(diào)節(jié)范圍來保證VCO的輸出頻率能夠滿足設(shè)計(jì)的要求。
(3)穩(wěn)定的增益：VCO的電壓——頻率非線性是產(chǎn)生噪聲的主要原因之一，同時(shí)，這種非線性也會(huì)給電路設(shè)計(jì)帶來不確定性，變化的VCO增益會(huì)影響環(huán)路參數(shù)，從而影響環(huán)路的穩(wěn)定性。因此希望VCO的增益變化越小越好。
常見的壓控振蕩器主要有反相器型VCO、差分對型VCO以及LC型VCO。
反相器型VCO的核心是由奇數(shù)個(gè)反相器組成，振蕩頻率由每個(gè)反相器的延時(shí)以及反相器的個(gè)數(shù)決定的。每個(gè)單元的延時(shí)時(shí)間與流過反相器的電流、電壓、工藝有關(guān)。這種結(jié)構(gòu)的VCO優(yōu)點(diǎn)是電路設(shè)計(jì)簡單，振蕩頻率可以被設(shè)計(jì)得很高，但是它對電源或地的噪聲比較敏感，相位抖動(dòng)較大。
差分對型VCO主要由差分對延時(shí)構(gòu)成，其環(huán)路構(gòu)成如圖2所示。差分延時(shí)單元由壓控電流源、電阻負(fù)載以及NMOS管構(gòu)成。通過控制壓控電流源的電流控制振蕩頻率。差分對型VCO的優(yōu)點(diǎn)是差分信號(hào)可以抑制地噪聲或電源噪聲，相位抖動(dòng)較小，缺點(diǎn)是帶寬有限，不適于高頻應(yīng)用。
LC型VCO的特點(diǎn)是：由于LC諧振腔的Q值很高，因而這種類型的VCO的相位噪聲很低，因而常用于對頻率抖動(dòng)要求非常低的頻率合成器中。并且這種結(jié)構(gòu)的工作頻率只與電感L和電容C有關(guān)，通過減小電感或電容并減小電路的寄生電容可以使得電路工作在很高的工作頻率下。
圖3是常見的負(fù)跨導(dǎo)LC型VCO結(jié)構(gòu)，從MOS管漏端反饋回來的信號(hào)通過另一個(gè)MOS管反饋到該MOS管的源端，假設(shè)MOS管的跨導(dǎo)為gm，則從圖3(a)虛線端向上看的阻抗是-2/gm，這是一個(gè)負(fù)阻，它是由兩個(gè)交叉MOS管正反饋所產(chǎn)生的。通常，如果要使得振蕩器振蕩，這個(gè)負(fù)阻應(yīng)小于或等于LC諧振腔的等效并聯(lián)內(nèi)阻，也就是說MOS管的跨導(dǎo)越大，負(fù)阻越小，電路越容易振蕩。在振蕩情況下，電路的振蕩頻率與L和C有關(guān)，即為
，電容C是壓控電容，通過調(diào)節(jié)電壓Vcont可以調(diào)節(jié)電容的大小，從而改變電路的振蕩頻率。圖3(b)，(c)的結(jié)構(gòu)與圖3(a)相似，圖3(a)結(jié)構(gòu)對電源噪聲的抑制能力較強(qiáng)，圖3(b)結(jié)構(gòu)對地噪聲的抑制能力較強(qiáng)，圖3(c)兼有前兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，而且只需一個(gè)電感就能實(shí)現(xiàn)，這樣可以減小前兩種結(jié)構(gòu)電感不對稱造成的電路共模抑制能力降低的問題。相對于前面兩個(gè)電路，這個(gè)電路也有缺點(diǎn)，即該電路有2個(gè)電流源，因而電源噪聲較大。
圖4是一種差分結(jié)構(gòu)的LC型VCO，假定NMOS與PMOS具有相等的跨導(dǎo)gm，則這種結(jié)構(gòu)的負(fù)阻為～1/gm，比圖3結(jié)構(gòu)的負(fù)阻減小1/2，由于
，如果要使得圖4和圖3兩種結(jié)構(gòu)具有相同的負(fù)阻，那么圖4結(jié)構(gòu)所需的電流只有圖3的1/4，因而圖4結(jié)構(gòu)更適于低功耗設(shè)計(jì)。
壓控電容可以由CMOS中的二極管的結(jié)電容來實(shí)現(xiàn)。由于結(jié)電容與二極管兩端的電壓有關(guān)，通過控制這個(gè)電壓就能控制結(jié)電容的大小。LC型VCO的頻率調(diào)節(jié)范圍與壓控電容有關(guān)，通常由于工藝限制，二極管的結(jié)電容變化在50%以內(nèi)，相應(yīng)的VCO的頻率調(diào)節(jié)范圍只有10%左右。因而采用這種結(jié)構(gòu)的環(huán)路的頻率調(diào)節(jié)范圍有限，需要采用其它的輔助方法才能擴(kuò)大頻率的調(diào)節(jié)范圍。頻率鎖定范圍也會(huì)影響VCO的增益，鎖定范圍越大，VCO的增益越大，而VCO增益越高，振蕩器的輸入噪聲就越大，這是因?yàn)樵诳刂齐妷荷嫌袀�(gè)較小的噪聲干擾就會(huì)引起較大的VCO頻率變化，因而VCO的調(diào)節(jié)范圍和相位噪聲間要折中確定。
3 低噪聲低功耗壓控振蕩器設(shè)計(jì)
圖5設(shè)計(jì)的是圖4所示結(jié)構(gòu)的一種全差分結(jié)構(gòu)的LC型壓控振蕩器，獲得了較高的電源噪聲和襯底噪聲抑制能力，且所需電流較小。其中子電路vco_var_cap為壓控電容陣列，可以通過控制GAIN<3：0>來控制壓控電容導(dǎo)通的個(gè)數(shù)，從而選擇合適的VCO增益和工作頻率。
圖6為該種LC型壓控振蕩器的控制電壓掃描曲線，其中圖6(a)為輸出頻率與控制電壓間的關(guān)系曲線，從圖中可以看出，當(dāng)控制電壓從0V變?yōu)?V時(shí)，輸出頻率從2.06GHz變?yōu)?.98GHz。圖6(b)為壓控振蕩器增益隨控制電壓變化的關(guān)系曲線，控制電壓在0～2V之間，壓控振蕩器的最大增益為2π×50MHz/V，最小增益為2π×20MHz/V，所設(shè)計(jì)頻率綜合在這個(gè)壓控振蕩器增益變化的范圍內(nèi)是穩(wěn)定的，因而可以認(rèn)為壓控振蕩器的工作范圍為1.98～2.06GHz。
圖7為此壓控振蕩器的瞬態(tài)仿真波形，從圖中可以看出，振蕩器從未振蕩到振蕩大慨在100ns，振蕩穩(wěn)定時(shí)間與振蕩器的負(fù)阻有關(guān)，負(fù)阻越小，環(huán)路的正反饋能力就越強(qiáng)，達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間就越小。
4 結(jié)語
為了使輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)具有高穩(wěn)定性和較高靈敏度，VCO的設(shè)計(jì)起決定性作用。差分對型VCO的優(yōu)點(diǎn)是差分信號(hào)可以抑制地噪聲或電源噪聲，相位抖動(dòng)較小。缺點(diǎn)是帶寬有限，不適于高頻應(yīng)用。而LC諧振腔的Q值很高，因而LC類型的VCO的相位噪聲很低，因而常用于對頻率抖動(dòng)要求非常低的場合，并且這種結(jié)構(gòu)的工作頻率只與電感L和電容C有關(guān)，通過減小電感或電容，并減小電路的寄生電容可以使得電路工作在很高的工作頻率下。本文在分析和比較了反相型VCO、差分對型VCO、LC型VCO三種結(jié)構(gòu)壓控振蕩器的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用一種全差分結(jié)構(gòu)的LC型壓控振蕩器，獲得了具有差分結(jié)構(gòu)和LC型結(jié)構(gòu)雙重優(yōu)點(diǎn)的壓控振蕩器。
