CMOS振蕩器設(shè)計
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1 引言
本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/161933.htm一個典型的數(shù)字鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，數(shù)控振蕩器DCO（Digital-Controlled Oscillator）是其中最關(guān)鍵和核心的部分。數(shù)控振蕩器DCO 輸出了可變頻率的振蕩波形，決定了整個鎖相環(huán)的噪聲性能和功耗。數(shù)字時間轉(zhuǎn)換器
（Digital LoopFilter）代替了模擬環(huán)形濾波器來控制DCO，由與參考時鐘的相位差來控制DCO 輸出或高或低的振蕩頻率，輸出振蕩信號由負(fù)反饋送到數(shù)字時間轉(zhuǎn)換器，使相位差減小，最終讓輸出信號頻率與參考時鐘頻率一致，即達(dá)到相位鎖定。整個DCO 因此不再需要含有電容或電感，同時也減少漏電流和電源噪音的問題。
圖1 數(shù)字鎖相環(huán)的基本結(jié)構(gòu)
2 電路結(jié)構(gòu)和原理
數(shù)控振蕩器有多種實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計了一種完全采用靜態(tài)CMOS 邏輯電路的DCO結(jié)構(gòu)，該DCO基于由CMOS 反相器構(gòu)成的環(huán)形振蕩器，其電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示。
圖2 電路結(jié)構(gòu)圖
如圖2 所示，每一級環(huán)形振蕩器均是5 個CMOS反相器串聯(lián)，并構(gòu)成閉環(huán)負(fù)反饋回路，每個反相器的輸出也與下一級環(huán)形振蕩器對應(yīng)的反相器輸出相連。根據(jù)巴克豪森準(zhǔn)則：振蕩器要產(chǎn)生振蕩，那么環(huán)路增益必須大于等于一且總相移有360°。因此環(huán)路中進行反相的次數(shù)必須是奇數(shù)，三個以上的奇數(shù)個CMOS 反相器串聯(lián)閉環(huán)回路，在一個微小的激勵下都能夠產(chǎn)生振蕩。單級環(huán)形振蕩器的振蕩頻率由反相器個數(shù)和其本征延遲決定，用n 表示反相器個數(shù)，tr 表示反相器上升沿延遲，tf 表示反相器下降沿延遲，頻率可以用下式表示為：
反相器下降延遲t f 和上升延遲t r 根據(jù)下列公式定義，式中Rn、Rp 分別為圖2（b）中反相器PMOS管M0、M1 和NMOS 管M2、M3 的等效電阻，Cout 為反相器輸出電容。
設(shè)置電路中所有MOSFET的溝道長度都為90nm工藝設(shè)計規(guī)范的默認(rèn)值0.1 μ m。因為在常溫下N 溝道中的電子遷移率大約是P 溝道中的空穴遷移率的2~3 倍，因此設(shè)置PMOS 管的寬度Wp 是NMOS 管寬度Wn 的2 倍，使反相器中NMOS 管和PMOS 管的等效電阻近似相等，即Rn=Rp，也就使tr=tf。
下降延遲t r 和上升延遲t f 相等可以讓環(huán)形振蕩器產(chǎn)生對稱性比較好的波形，提高振蕩器的抗噪聲性能。
每一級的5 個CMOS 反相器由一個高電平有效的輸入信號控制，同時打開或者關(guān)閉，讓DCO 中的環(huán)形振蕩器逐級打開或者逐級關(guān)閉。當(dāng)打開的環(huán)形振蕩器級數(shù)越多，電路中的振蕩電流越強，電路輸出的振蕩頻率就越快。反之，當(dāng)打開的環(huán)形振蕩器級數(shù)越少，電路中的振蕩電流減弱，但因為整個DCO中的環(huán)形振蕩器總級數(shù)是一定的，因此整個DCO 中的等效電容并沒有減少，所以輸出的振蕩頻率就會下降。因此，該數(shù)控振蕩器是通過控制打開的環(huán)形振蕩器級數(shù)，數(shù)字化地控制振蕩頻率，在DPLL中需要一個前置的數(shù)字環(huán)形濾波器提供輸入信號，控制各級振蕩器的打開或關(guān)閉。
當(dāng)所有環(huán)形振蕩器都打開時，無論該DCO 中總共有多少級環(huán)形振蕩器，DCO 輸出的振蕩波形的最大頻率fmax 都為式（1）表示的單個環(huán)形振蕩器振蕩頻率。輸出的最小頻率fmin 也就是當(dāng)只有一級環(huán)形振蕩器打開時的DCO 輸出頻率。由此分析，DCO 的增益可以如下式表示，式中N 為電路中總的環(huán)形振蕩器級數(shù)：
由上述分析可見，當(dāng)該DCO 中具有的總的環(huán)形振蕩器級數(shù)越多，可以輸出的fmin 越小，KDCO 也越小，也就是每一級環(huán)形振蕩器
所控制的頻率增減也越小，振蕩器線性度也就越好。
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