一種低功耗高線性度VCO的設計與實現

殷萬君，武建壽，熊建云，鄭 君

（1．四川信息職業技術學院 四川 廣元 628017；2．張掖市華光太陽能有限公司 甘肅 張掖 734000）

一種低功耗高線性度VCO的設計與實現

殷萬君1，武建壽2，熊建云1，鄭 君2

（1．四川信息職業技術學院 四川 廣元 628017；2．張掖市華光太陽能有限公司 甘肅 張掖 734000）

隨著物聯網技術的不斷發展，無線通信成為了物聯網技術發展的關鍵技術。射頻接收機是無線通信系統的重要功能模塊，而壓控振蕩器（voltage-controlled oscillator，VCO）又是射頻接收機的關鍵組成部分。為了充分考慮面積、功耗、工藝等性能之間的各種約束，設計采用了電流饑餓CMOS反相器單元延時電路，實現了線性度好、頻率調節范圍廣、功耗低、穩定性高的要求。

VCO；電流饑餓；CMOS反相器；線性度

全集成環形壓控振蕩器（VCOs：Voltage-Controlled Oscillators）由于具有集成度高、調諧范圍寬、高線性度及面積小等的眾多特征，已經成為眾多數字芯片和通信系統的關鍵模塊。環形振蕩器是基于反相器的延時原理工作的。只要將任何大于1的奇數個反相器單元首尾相連就可以形成一個基本的環形振蕩器，由反相器單元組成的環形振蕩電路具有集成度高、結構簡單、功耗低的優點［1］。

1　環形振蕩器

振蕩器的振蕩頻率是由構成該電路的每級反相器的延遲時間的大小和環路中反相器的級數來決定［2］。如圖1所示。

圖1　反相器鏈組成的環形振蕩器Fig．1　A ring oscillator composed of inverter chain map

采用單端反相器結構的環形振蕩器反相器就是其中的延遲單元，如圖2所示。延遲單元的數目至少為 3以上的奇數個反相器構成，任何大于或者等于 3的奇數個反相器首尾相連，就能產生自激振蕩，周期為T=2NTpd，其中N為串聯反相器個數，Tpd為單個反相器延遲時間［3-4］。

圖2　反相器延時單元Fig．2　Inverter delay unit

2　電流饑餓型延時單元

由于CMOS反相器的傳輸延時較短，所以要得到較低的振蕩頻率是非常困難的［5-6］，在電路結構上雖然可通過增加環路級數來降低輸出頻率，但簡單的電路結構改進已不能滿足實際的需要。在反相器環路數量不增加的情況下，要想最直接的實現頻率的調整，其方法就是改變延遲單元的延遲時間［7-8］，而要改變延遲時間在電路的實現途徑上是通過改變延遲單元的時間常數和改變延遲單元充放電電流來實現，在實際的電路設計中往往采用多種技術來改變延時單元的延遲時間［9］。

電流饑餓反相器延時單元具有較寬的頻帶調節特性，通過調整反相器延時單元的電流可以使得振蕩器在非常寬的頻率范圍內進行調節，除了能較為便捷的調節振蕩器的頻率特性外，電流饑餓型振蕩器還具有電路結構簡單，功耗較低等眾多特點［10］。

由電流饑餓反相器單元組成的環型振蕩器的工作過程如下：首先通過輸入控制電壓或電流模塊電路，將控制電壓或控制電流轉換為電流饑餓反相器單元的偏置電流，最終通過對偏置電流的變化來控制環形振蕩器的振蕩頻率。對電壓/電流轉換模塊電路的要求就是要產生大小合適的偏置電流。

為了使得振蕩頻率較低，調節范圍更寬，可以在電流饑餓型環形振蕩器的基礎上做進一步的改進，如圖3所示。

圖3　電流饑餓型環形振蕩器電路結構Fig．3　Current starvation-type ring oscillator circuit structure

由M2管和M3管、M5管和M6管組成的反相器為延時單元，NMOS-M1管控制延時單元的放電電流Id1，PMOS-M4管控制延時單元的充電電流Id4，與M2、M3和M5、M6相同的若干單元共同構成了環形振蕩器的每一級。M1管和M4管控制著流過M2、M6管的放電電流和M3、M5管的充電電流，也就是說，反相器M2管和M3管；M5管和M6構成的延時單元處于電流的饑餓狀態。

若采用N（奇數）級反向器結構，則充電電流i是N級反向器的總的電流，由于每級反相器參數相同，所以每級電流也相等，大小為i/N，當M4管柵極電壓較小時，充電電流也較小，處在電流饑餓狀態的單級延時單元振蕩電路的充放電電流很小，振蕩頻率也較低；隨著控制電壓的上升，充電電流逐漸增大，處在電流饑餓狀態的延時單元振蕩電路的充放電電流也隨之變化，振蕩頻率也隨著充放電電流的增加而增加。

表1　仿真參數Tab.1　Simulation parameters

3　基于電流饑餓型反相器延時單元VCO電路的設計與仿真

采用電流鏡形式的偏置的結構，電流鏡和壓控管構成了延時單元的供電電路。電流鏡PMOS管取L=1um，W=5um，壓控NMOS管L=1um，W=3．3um，取延時鏈的級數為11級，反相器延時單元N管，P管

圖4　仿真原理圖Fig．4　Simulation schematic

在MI 0．35um工藝環境下，電源電壓為1．8 V。控制電壓在0．85～1．15變化時仿真結果如表1所示。

工作在飽和狀態的壓控MOS管輸出電流是與控制電壓（VGS-VTH）呈平方關系的，由于控制電壓是在 0．8～1．36 V變化，減去閾值電壓VTH可使得輸出電流進一步細化，1 V范圍內電壓的平方也近似線性關系，電流與輸出頻率的關系為式1。

故輸出頻率與輸入電壓呈線性關系。若改變延時單元的級數，振蕩器的頻率將進一步提高。

4　結　論

本文利用電流饑餓反相器延時單元設計了一種線性度好、功耗低、頻率可調的全MOS型VCO電路，仿真結果表明，本文設計的VCO可通過調整MOS管參數，使得振蕩頻率調整范圍更寬，電路結構簡單，易于設計。

［1］殷萬君．基于溫度的DRAM刷新時鐘產生電路設計［D］．成都：西南交通大學，2014．

［2］張愛琴，段吉海，秦志杰．兩種高頻 CMOS壓控振蕩器的研究與設計［J］．電子科技，2009，22（11）:26-29．

［3］陳永潔，劉忠，危長明，等．低相位噪聲CMOS環形振蕩器的研究與設計［J］．微電子學，2008（6）:76-80．

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［5］L．H．Lue，H．Hsieh-Hung，and L．Yu-Te．A wide tuning-range CMOS VCO with adifferential tunable active inductor［J］．IEEE Trans．Microw．Theory Tech，2006，54（9）:3462-3468．

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Design and realization of low power and high linearity based on VCO

YIN Wan-jun1，WU Jian-shou2，XIONG Jian-yun1，ZHENG Jun2
（1．Sichuan Information Technology College，Guangyuan 628017，China；2．Zhangye City Huaguang Solar Energy Co.Ltd，Zhangye 734000，China）

with the continuous development of Internet of things technology，wireless communication has become the key technology in the development of iot．The RF receiver is an important function module of wireless communication system，and the voltagecontrolledoscillator（voltage-controlledoscillator，VCO）isthekeypartofRFreceiver．Inordertofullyconsiderthevarious constraints between the area，power consumption，process performance，the design uses the current hunger CMOS inverter unit delaycircuit，achievedgoodlinearity，frequencyregulationrange，lowpowerconsumption，highstabilityrequirements．

VCO；current hunger；CMOS inverter；linearity

TN752

A

1674－6236（2016）02-0110-02

2014-10-15稿件編號：201410106

四川省教育廳自然科學重點項目（15ZA0380）；四川省教育廳自然科學一般項目（15ZB0467）；甘肅省科技廳科技支撐計劃（1204GKCG059）

殷萬君（1980—），男，甘肅張掖人，碩士，講師。研究方向：大規模集成電路設計與仿真。