基于标准CMOS工艺压控振荡器（VCO）设计

南志坚　刘鸿旗

摘 要：近年来随着无线通信系统的迅猛发展和CMOS工艺的不断进步，对CMOS 无线射频收发机要求越来越高。低成本、小型化、宽频带、低噪声、更高的工作频段是未来射频收发机设计所要努力的方向。

压控振荡器（voltage-controlled oscillator， VCO）作为频率综合器的关键组成部分，对频率综合器的频率覆盖范围、相位噪声、功耗等重要性能都有直接影响，文章经过对VCO性能参数的分析，介绍了一些压控振荡器性能优化方法。

关键词：振荡器 施密特触发器 环形振荡器 CSA

中图分类号：TD61 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）01（b）-0123-02

压控振荡器（voltage-controlled oscillator， VCO）是一种以电压输入来控制振荡频率的电子振荡电路，是现代无线电通信系统的重要组成部分。在当今集成电路向尺寸更小、频率更高、功耗更少、价格更低发展的趋势下，应用标准工艺设计生产高性能的压控振荡器已是射频集成电路中的一个重要课题。尤其在通信系统电路中，压控振荡器（VCO）是其关键部件，可以毫不夸张地说在电子通信技术领域，VCO几乎与电流源和运放具有同等重要地位。

1 压控振荡器（VCO）原理

1.1 概述

压控振荡器是在振荡器的基础上引入控制端，实现电压控制振荡频率的功能。振荡器是通过自激方式把直流电能变换为交流电能的一种电子线路。构成VCO的第一步，是实现一个振荡器，然后添加一个中间级使输入电压可以控制振荡频率（但在有些情况，控制信号可能为电流）。人们通常把压控振荡器称为调频器，用以产生调频信号。

1.2 压控振荡器基本架构和原理

压控振荡器主要有环形振荡器和负阻型振荡器两种结构，环形振荡器具有线性度好，功耗小，成本低，易于集成，调节范围宽，结构简单易于实现等优点，因此在时钟类型的应用和低中频通信系统中得到了广泛的应用。一般振荡频率在1GHz以下时，电路会采用环形结构，振荡频率高于1GHz时，负阻型压控振荡器是主流结构。

1.3 VCO性能指标

VCO是一个电压/频率转换电路，在环路中作为被控振荡器，它的输出频率应随控制电压线性地变化。一个理想的VCO其输出频率和输入频率的关系为：

ωout=ω0+KVCOVcont （1）

式中，ω0为控制电压Vcont为零时的振荡器的固定频率；KVCO为VCO的增益或灵敏度。

可以推导出VCO的传输函数：

（2）

由式（2）可以得出，当VCO被放在锁相环中时，其输出经分频器后接到鉴相器的输入，对鉴相器输出起作用的不是其频率，而是相位。所以在锁相环中VCO通常被看作输入为控制电压，输出为相位的系统。

2 振荡器结构的选择

2.1 作为反馈系统的振荡器

该模型的闭环传输函数可以写成：

（3）

注意到若环路增益印βH（s=jω0）=-1。因此，电路可以放大其自身在频率范围的噪声。理论上，该频率上的振幅可以为无穷大。而事实上，较大的振幅降低了环路增益βH（s=jω0），最终使得振荡器在某一个振幅上建立起稳态的振荡。上述条件就是“巴克豪森准则”即式4、5所示：

（4）

（5）

2.2 环型振荡器

一个环型振荡器至少包含三个增益级，每一增益级引入一个附加的极点，因而在闭环传输函数中引入一个90度的相移。这样，当arg（βH（jω0））=-1800时才可能有βH（jω0）的绝对值大于1，从而满足巴克豪森准则。环型振荡器等效反馈模型如图1所示。

然而，环型振荡器无须使用任何诸如电感和电容之类的无源器件这一主要优点也是其主要缺点：由于没有通过滤波过程来对输出信号进行噪声整形，因此与LC振荡器相比，环型振荡器通常都表现出很差的相位噪声性能。环型振荡器主要用于诸如串行数据通信的时钟恢复，或者片上时钟分配，而对于射频应用场合则通常需要一种比环型振荡器所能提供的相位噪声性能更好的振荡器。

3 环形压控振荡器的电路选择

本文中选用的是CSA（Current Steering Amplifier）型压控振荡器即电流控制放大器环形振荡器，因为这种三级环形振荡结构简单，可以降低设计和维护的难度。另外本设计中的频率也不是很高，CSA结构的VCO足以满足性能要求。如果要提供振荡频率，只要提高每级的电流即可，当然功耗也会随之增加。前面部分的电路为电压电流转换电路，为了让电路更简单，且容易设计，本文去掉这部分电路，直接给后面的三级环形振荡器的PMOS管加偏置电压，使其产生偏置电流来调节频率。

4 优化后的整体电路

通过对施密特触发器电路的调试，我们得到了标准的方波输出，为了优化电路，CSV结构的VCO电路与施密特触发器电路连接起来进行整体调试。

对于施密特触发器有：

（6）

（7）

其中VT+称为正向阈值电压，VT-称为负向阈值电压，对于给定的R1/R2，VT+、VT-具有相同的变化趋势，即当VTH值变大时VT+、VT-也变大，则输出矩形波的高电平时间就会变小，占空比变小，反之则变大。故通过调节VTH可以改变占空比。

下面讨论VTH与反相器各管的宽长比的关系，由于VTH为反相器输出电压发生转换时的输入电压，所以当反相器的输入为VTH时，NMOS和PMOS都处于饱和的过渡状态，此时流入NMOS和PMOS的电流相等IDN=IDP。当输入电压VTH1略大于VTH时，则电路有使IDN>IDP的变化趋势，为了抵消这种趋势从新建立起两管都处于饱和区的状态，应降低NMOS的宽长比，使得IDN下降，最终使IDN=IDP，此时在输入电压为VTH1的情况下各管都处在饱和的中间状态，故VTH1为新的阈值电压值，所以得出结论是如果要使VTH增大可以降低NMOS的宽长比，反之则增大NMOS的宽长比。

经过反复的修改和仿真，最终我们确定了反相器中NMOS的宽长比为3 mm/0.35 mm，PMOS的宽长比为0.7/0.35。由网表进行模拟验证后，得到了最终优化后的输出波。

经过优化后输出频率约为625 MHz，输出摆幅约为1.75 V。频率和摆幅是符合设计要求，而且在增加了施密特波形转换电路后三级CSA输出波形VCO的输出由正弦波输出转换为方波，使VCO适用于更多电路中。就此我们得到了带施密特波形转换电路的三级CSA VCO电路。

本文探究了压控振荡器的基本原理和电路拓扑结构，并采用Chartered 0.35 mm N阱CMOS工艺设计了一个CSA结构的VCO，该结构的电路简单，工作频率高，控制电压与频率的转换关系线性度很好，频带宽。利用施密特波形转换电路对CSA结构的VCO进行优化，得到了输出频率约为625 MHz，输出摆幅约为1.75V的VCO电路。

参考文献

[1] 曹旭.宽带CMOS压控振荡器研究及设计[D].杭州电子科技大学，2013.

[2] 陈焱.全集成宽带CMOS压控振荡器的研究与设计[D].苏州大学，2009.

[3] 傅开红.基于CMOS工艺压控振荡器和低噪声放大器研究[D].杭州电子科技大学，2009.endprint

摘 要：近年来随着无线通信系统的迅猛发展和CMOS工艺的不断进步，对CMOS 无线射频收发机要求越来越高。低成本、小型化、宽频带、低噪声、更高的工作频段是未来射频收发机设计所要努力的方向。

压控振荡器（voltage-controlled oscillator， VCO）作为频率综合器的关键组成部分，对频率综合器的频率覆盖范围、相位噪声、功耗等重要性能都有直接影响，文章经过对VCO性能参数的分析，介绍了一些压控振荡器性能优化方法。

关键词：振荡器 施密特触发器 环形振荡器 CSA

中图分类号：TD61 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）01（b）-0123-02

压控振荡器（voltage-controlled oscillator， VCO）是一种以电压输入来控制振荡频率的电子振荡电路，是现代无线电通信系统的重要组成部分。在当今集成电路向尺寸更小、频率更高、功耗更少、价格更低发展的趋势下，应用标准工艺设计生产高性能的压控振荡器已是射频集成电路中的一个重要课题。尤其在通信系统电路中，压控振荡器（VCO）是其关键部件，可以毫不夸张地说在电子通信技术领域，VCO几乎与电流源和运放具有同等重要地位。

1 压控振荡器（VCO）原理

1.1 概述

压控振荡器是在振荡器的基础上引入控制端，实现电压控制振荡频率的功能。振荡器是通过自激方式把直流电能变换为交流电能的一种电子线路。构成VCO的第一步，是实现一个振荡器，然后添加一个中间级使输入电压可以控制振荡频率（但在有些情况，控制信号可能为电流）。人们通常把压控振荡器称为调频器，用以产生调频信号。

1.2 压控振荡器基本架构和原理

压控振荡器主要有环形振荡器和负阻型振荡器两种结构，环形振荡器具有线性度好，功耗小，成本低，易于集成，调节范围宽，结构简单易于实现等优点，因此在时钟类型的应用和低中频通信系统中得到了广泛的应用。一般振荡频率在1GHz以下时，电路会采用环形结构，振荡频率高于1GHz时，负阻型压控振荡器是主流结构。

1.3 VCO性能指标

VCO是一个电压/频率转换电路，在环路中作为被控振荡器，它的输出频率应随控制电压线性地变化。一个理想的VCO其输出频率和输入频率的关系为：

ωout=ω0+KVCOVcont （1）

式中，ω0为控制电压Vcont为零时的振荡器的固定频率；KVCO为VCO的增益或灵敏度。

可以推导出VCO的传输函数：

（2）

由式（2）可以得出，当VCO被放在锁相环中时，其输出经分频器后接到鉴相器的输入，对鉴相器输出起作用的不是其频率，而是相位。所以在锁相环中VCO通常被看作输入为控制电压，输出为相位的系统。

2 振荡器结构的选择

2.1 作为反馈系统的振荡器

该模型的闭环传输函数可以写成：

（3）

注意到若环路增益印βH（s=jω0）=-1。因此，电路可以放大其自身在频率范围的噪声。理论上，该频率上的振幅可以为无穷大。而事实上，较大的振幅降低了环路增益βH（s=jω0），最终使得振荡器在某一个振幅上建立起稳态的振荡。上述条件就是“巴克豪森准则”即式4、5所示：

（4）

（5）

2.2 环型振荡器

一个环型振荡器至少包含三个增益级，每一增益级引入一个附加的极点，因而在闭环传输函数中引入一个90度的相移。这样，当arg（βH（jω0））=-1800时才可能有βH（jω0）的绝对值大于1，从而满足巴克豪森准则。环型振荡器等效反馈模型如图1所示。

然而，环型振荡器无须使用任何诸如电感和电容之类的无源器件这一主要优点也是其主要缺点：由于没有通过滤波过程来对输出信号进行噪声整形，因此与LC振荡器相比，环型振荡器通常都表现出很差的相位噪声性能。环型振荡器主要用于诸如串行数据通信的时钟恢复，或者片上时钟分配，而对于射频应用场合则通常需要一种比环型振荡器所能提供的相位噪声性能更好的振荡器。

3 环形压控振荡器的电路选择

本文中选用的是CSA（Current Steering Amplifier）型压控振荡器即电流控制放大器环形振荡器，因为这种三级环形振荡结构简单，可以降低设计和维护的难度。另外本设计中的频率也不是很高，CSA结构的VCO足以满足性能要求。如果要提供振荡频率，只要提高每级的电流即可，当然功耗也会随之增加。前面部分的电路为电压电流转换电路，为了让电路更简单，且容易设计，本文去掉这部分电路，直接给后面的三级环形振荡器的PMOS管加偏置电压，使其产生偏置电流来调节频率。

4 优化后的整体电路

通过对施密特触发器电路的调试，我们得到了标准的方波输出，为了优化电路，CSV结构的VCO电路与施密特触发器电路连接起来进行整体调试。

对于施密特触发器有：

（6）

（7）

其中VT+称为正向阈值电压，VT-称为负向阈值电压，对于给定的R1/R2，VT+、VT-具有相同的变化趋势，即当VTH值变大时VT+、VT-也变大，则输出矩形波的高电平时间就会变小，占空比变小，反之则变大。故通过调节VTH可以改变占空比。

下面讨论VTH与反相器各管的宽长比的关系，由于VTH为反相器输出电压发生转换时的输入电压，所以当反相器的输入为VTH时，NMOS和PMOS都处于饱和的过渡状态，此时流入NMOS和PMOS的电流相等IDN=IDP。当输入电压VTH1略大于VTH时，则电路有使IDN>IDP的变化趋势，为了抵消这种趋势从新建立起两管都处于饱和区的状态，应降低NMOS的宽长比，使得IDN下降，最终使IDN=IDP，此时在输入电压为VTH1的情况下各管都处在饱和的中间状态，故VTH1为新的阈值电压值，所以得出结论是如果要使VTH增大可以降低NMOS的宽长比，反之则增大NMOS的宽长比。

经过反复的修改和仿真，最终我们确定了反相器中NMOS的宽长比为3 mm/0.35 mm，PMOS的宽长比为0.7/0.35。由网表进行模拟验证后，得到了最终优化后的输出波。

经过优化后输出频率约为625 MHz，输出摆幅约为1.75 V。频率和摆幅是符合设计要求，而且在增加了施密特波形转换电路后三级CSA输出波形VCO的输出由正弦波输出转换为方波，使VCO适用于更多电路中。就此我们得到了带施密特波形转换电路的三级CSA VCO电路。

本文探究了压控振荡器的基本原理和电路拓扑结构，并采用Chartered 0.35 mm N阱CMOS工艺设计了一个CSA结构的VCO，该结构的电路简单，工作频率高，控制电压与频率的转换关系线性度很好，频带宽。利用施密特波形转换电路对CSA结构的VCO进行优化，得到了输出频率约为625 MHz，输出摆幅约为1.75V的VCO电路。

参考文献

[1] 曹旭.宽带CMOS压控振荡器研究及设计[D].杭州电子科技大学，2013.

[2] 陈焱.全集成宽带CMOS压控振荡器的研究与设计[D].苏州大学，2009.

[3] 傅开红.基于CMOS工艺压控振荡器和低噪声放大器研究[D].杭州电子科技大学，2009.endprint

摘 要：近年来随着无线通信系统的迅猛发展和CMOS工艺的不断进步，对CMOS 无线射频收发机要求越来越高。低成本、小型化、宽频带、低噪声、更高的工作频段是未来射频收发机设计所要努力的方向。

压控振荡器（voltage-controlled oscillator， VCO）作为频率综合器的关键组成部分，对频率综合器的频率覆盖范围、相位噪声、功耗等重要性能都有直接影响，文章经过对VCO性能参数的分析，介绍了一些压控振荡器性能优化方法。

关键词：振荡器 施密特触发器 环形振荡器 CSA

中图分类号：TD61 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）01（b）-0123-02

压控振荡器（voltage-controlled oscillator， VCO）是一种以电压输入来控制振荡频率的电子振荡电路，是现代无线电通信系统的重要组成部分。在当今集成电路向尺寸更小、频率更高、功耗更少、价格更低发展的趋势下，应用标准工艺设计生产高性能的压控振荡器已是射频集成电路中的一个重要课题。尤其在通信系统电路中，压控振荡器（VCO）是其关键部件，可以毫不夸张地说在电子通信技术领域，VCO几乎与电流源和运放具有同等重要地位。

1 压控振荡器（VCO）原理

1.1 概述

压控振荡器是在振荡器的基础上引入控制端，实现电压控制振荡频率的功能。振荡器是通过自激方式把直流电能变换为交流电能的一种电子线路。构成VCO的第一步，是实现一个振荡器，然后添加一个中间级使输入电压可以控制振荡频率（但在有些情况，控制信号可能为电流）。人们通常把压控振荡器称为调频器，用以产生调频信号。

1.2 压控振荡器基本架构和原理

压控振荡器主要有环形振荡器和负阻型振荡器两种结构，环形振荡器具有线性度好，功耗小，成本低，易于集成，调节范围宽，结构简单易于实现等优点，因此在时钟类型的应用和低中频通信系统中得到了广泛的应用。一般振荡频率在1GHz以下时，电路会采用环形结构，振荡频率高于1GHz时，负阻型压控振荡器是主流结构。

1.3 VCO性能指标

VCO是一个电压/频率转换电路，在环路中作为被控振荡器，它的输出频率应随控制电压线性地变化。一个理想的VCO其输出频率和输入频率的关系为：

ωout=ω0+KVCOVcont （1）

式中，ω0为控制电压Vcont为零时的振荡器的固定频率；KVCO为VCO的增益或灵敏度。

可以推导出VCO的传输函数：

（2）

由式（2）可以得出，当VCO被放在锁相环中时，其输出经分频器后接到鉴相器的输入，对鉴相器输出起作用的不是其频率，而是相位。所以在锁相环中VCO通常被看作输入为控制电压，输出为相位的系统。

2 振荡器结构的选择

2.1 作为反馈系统的振荡器

该模型的闭环传输函数可以写成：

（3）

注意到若环路增益印βH（s=jω0）=-1。因此，电路可以放大其自身在频率范围的噪声。理论上，该频率上的振幅可以为无穷大。而事实上，较大的振幅降低了环路增益βH（s=jω0），最终使得振荡器在某一个振幅上建立起稳态的振荡。上述条件就是“巴克豪森准则”即式4、5所示：

（4）

（5）

2.2 环型振荡器

一个环型振荡器至少包含三个增益级，每一增益级引入一个附加的极点，因而在闭环传输函数中引入一个90度的相移。这样，当arg（βH（jω0））=-1800时才可能有βH（jω0）的绝对值大于1，从而满足巴克豪森准则。环型振荡器等效反馈模型如图1所示。

然而，环型振荡器无须使用任何诸如电感和电容之类的无源器件这一主要优点也是其主要缺点：由于没有通过滤波过程来对输出信号进行噪声整形，因此与LC振荡器相比，环型振荡器通常都表现出很差的相位噪声性能。环型振荡器主要用于诸如串行数据通信的时钟恢复，或者片上时钟分配，而对于射频应用场合则通常需要一种比环型振荡器所能提供的相位噪声性能更好的振荡器。

3 环形压控振荡器的电路选择

本文中选用的是CSA（Current Steering Amplifier）型压控振荡器即电流控制放大器环形振荡器，因为这种三级环形振荡结构简单，可以降低设计和维护的难度。另外本设计中的频率也不是很高，CSA结构的VCO足以满足性能要求。如果要提供振荡频率，只要提高每级的电流即可，当然功耗也会随之增加。前面部分的电路为电压电流转换电路，为了让电路更简单，且容易设计，本文去掉这部分电路，直接给后面的三级环形振荡器的PMOS管加偏置电压，使其产生偏置电流来调节频率。

4 优化后的整体电路

通过对施密特触发器电路的调试，我们得到了标准的方波输出，为了优化电路，CSV结构的VCO电路与施密特触发器电路连接起来进行整体调试。

对于施密特触发器有：

（6）

（7）

其中VT+称为正向阈值电压，VT-称为负向阈值电压，对于给定的R1/R2，VT+、VT-具有相同的变化趋势，即当VTH值变大时VT+、VT-也变大，则输出矩形波的高电平时间就会变小，占空比变小，反之则变大。故通过调节VTH可以改变占空比。

下面讨论VTH与反相器各管的宽长比的关系，由于VTH为反相器输出电压发生转换时的输入电压，所以当反相器的输入为VTH时，NMOS和PMOS都处于饱和的过渡状态，此时流入NMOS和PMOS的电流相等IDN=IDP。当输入电压VTH1略大于VTH时，则电路有使IDN>IDP的变化趋势，为了抵消这种趋势从新建立起两管都处于饱和区的状态，应降低NMOS的宽长比，使得IDN下降，最终使IDN=IDP，此时在输入电压为VTH1的情况下各管都处在饱和的中间状态，故VTH1为新的阈值电压值，所以得出结论是如果要使VTH增大可以降低NMOS的宽长比，反之则增大NMOS的宽长比。

经过反复的修改和仿真，最终我们确定了反相器中NMOS的宽长比为3 mm/0.35 mm，PMOS的宽长比为0.7/0.35。由网表进行模拟验证后，得到了最终优化后的输出波。

经过优化后输出频率约为625 MHz，输出摆幅约为1.75 V。频率和摆幅是符合设计要求，而且在增加了施密特波形转换电路后三级CSA输出波形VCO的输出由正弦波输出转换为方波，使VCO适用于更多电路中。就此我们得到了带施密特波形转换电路的三级CSA VCO电路。

本文探究了压控振荡器的基本原理和电路拓扑结构，并采用Chartered 0.35 mm N阱CMOS工艺设计了一个CSA结构的VCO，该结构的电路简单，工作频率高，控制电压与频率的转换关系线性度很好，频带宽。利用施密特波形转换电路对CSA结构的VCO进行优化，得到了输出频率约为625 MHz，输出摆幅约为1.75V的VCO电路。

参考文献

[1] 曹旭.宽带CMOS压控振荡器研究及设计[D].杭州电子科技大学，2013.

[2] 陈焱.全集成宽带CMOS压控振荡器的研究与设计[D].苏州大学，2009.

[3] 傅开红.基于CMOS工艺压控振荡器和低噪声放大器研究[D].杭州电子科技大学，2009.endprint