淺談鎖相環(huán)電路中壓控振蕩器的分析與設計

歐陽軼，李楊，李菁

（中船重工集團公司第七二二研究所，湖北武漢，430205）

淺談鎖相環(huán)電路中壓控振蕩器的分析與設計

歐陽軼，李楊，李菁

（中船重工集團公司第七二二研究所，湖北武漢，430205）

本文先是進行了鎖相環(huán)電路中LC壓控振蕩器的分析，然后進行了鎖相環(huán)電路中壓控振蕩器的電路設計、相位噪聲分析以及二次諧波濾波技術的應用，最后實際應用了設計的電路，并對應用的結果進行了分析。目的是為設計出性能更加優(yōu)良的壓控振蕩器。

鎖相環(huán)電路；壓控振蕩器；二次諧波濾波技術

0 引言

壓控振蕩器作為鎖相環(huán)電路中的重要部分，壓控振蕩器性能的優(yōu)劣會對鎖相環(huán)電路的工作質量造成決定性的影響。對于壓控振蕩器的設計有比較多的要求，相位噪聲、功耗以及調諧范圍是壓控振蕩器設計的主要指標。

1 鎖相環(huán)電路中壓控振蕩器的分析

在鎖相環(huán)電路中的壓控振蕩器主要有LC壓控振蕩器和環(huán)形壓控振蕩器這兩種，其中，LC壓控振蕩器的相位噪聲要優(yōu)于環(huán)形壓控振蕩器，而且LC壓控振蕩器還具有很好的調諧范圍，交叉耦合型的LC壓控振蕩器在集成電路中得到了很廣泛的應用。LC壓控振蕩器具有較好的線性度、較低的相位噪聲以及簡單的結構等多種優(yōu)點，在鎖相環(huán)電路中得到了廣泛的應用。本次分析和設計的LC壓控振蕩器主要是指負阻LC振蕩器，該振蕩器的主要部分是LC諧振回路以及負阻單元。將有源器件當做負阻單元，既能夠抵消掉并聯(lián)的LC諧振回路里所產生的實際寄生電阻，還能夠將實際寄生電阻損耗的能量進行適當?shù)难a償，以此來保證電路維持簡諧振蕩，從兩個晶體管中的集電極來看，交叉耦合管中產生的交流阻抗是負值。因此，負阻單元能夠有效補償LC諧振回路中造成的能量損失，這樣可以有效保持LC諧振回路維持穩(wěn)定的振蕩。根據相關的公式計算可知，在交叉耦合管中產生的的等效負阻是 - (1/gm1+ 1 /gm2)。當 gm1= gm2= gm時，阻值是 R = ? 2 /gm。要想維持電路的震蕩，交叉耦合管的等效負阻就要提供一定的能量來補償LC回路中損耗的能量，這就要求交叉耦合管的等效負阻值滿足以下要求：R ?2/ gm≥0

因此，當?shù)刃ж撟璧慕^對值小于并聯(lián)LC諧振回路中電阻的時候，振蕩信號的變動幅度會慢慢變大。一旦等效負阻不小于并聯(lián)LC諧振回路中電阻的時候，并聯(lián)諧振回路中的能量損耗由等效阻值所提供的能量進行了補償，這樣就維持了諧振電路的振蕩[1]。

2 鎖相環(huán)電路中壓控振蕩器的設計

2.1 LC壓控振蕩器的電路結構設計

LC壓控振蕩器的核心電路主要是交叉耦合管和尾電流源使用反饋原理所構成的負阻單元。電路的結構比較簡單，交叉耦合管的工作電流主要由鏡像電流源所提供。但是有源電流源的存在在一定程度上加大了電路的噪聲，所以，要降低尾電流管所造成的噪聲影響，這就要在電路的設計中使用二次諧波技術。另外，為了擴大電容的可調節(jié)范圍，確保電容具備比較寬廣的調節(jié)范圍，還要在電路的設計中將可變的電容和并聯(lián)的電容采取并聯(lián)的連接方式。

在本次設計的電路中，LC振蕩器中的交叉耦合管會產生一定的負阻，而且，還有一定的寄生電阻存在于電感和電容中，為了保持LC諧振回路持續(xù)起振，就要使交叉耦合管中的等效負阻的絕對值大于或者等于電路中的寄生電阻，計算LC振蕩器振蕩頻率的公式如下：

其中，電容C主要是指可變電容以及固定電容的并聯(lián)值；L主要是指電感參數(shù)，因為具體的工藝，集成電感是比較困難的工作，而且，集成電感需要對成本也很高，因而本次設計中將電感參數(shù)選定為1.8nH。

2.2 LC壓控振蕩器的相位噪聲分析

LC壓控振蕩器的電路設計中的一個非常重要的性能指標就是相位噪聲，相位噪聲不僅會影響到頻率信號的傳輸，還會影響到LC諧振回路的可靠程度。本設計中的相位噪聲主要使用頻域的單邊基帶譜密度 ()W fφ來表示，還要使用Leeson模型將電路中產生的相位噪聲進行優(yōu)化，具體的Leeson模型如下：

由該模型可知，在工藝條件選定好之后，振蕩器在某一個頻率進行工作，影響相位噪聲的參數(shù)主要有以下幾種：諧振網絡中的等效電阻R；相位噪聲系數(shù)F；輸出電壓波形的幅度A；振蕩的頻率0f以及諧振網絡中的品質因數(shù)Q。為了減少LC諧振回路中的相位噪聲，需要對上述參數(shù)進行適當?shù)男薷摹Ｆ渲校袷幤魇褂玫木唧w工藝會對諧振的品質因數(shù)Q以及等效電阻R造成一定的影響；等效電阻以及尾電流源會對輸出電壓波形的幅度A造成一定的影響。所以，為了減少振蕩器所產生的相位噪聲，可以采取加強尾電流源的方式，但是尾電流源也會產生一定的噪聲，所以還要在電路的設計中使用電感以及電容濾波的方法。

2.3 LC壓控振蕩器中的二次諧波濾波技術

本次設計中的LC壓控振蕩器的結構是一種差分結構，該結構可以保證奇次諧波的傳播，所以，奇次諧波上的噪聲不會影響到振蕩回路中的相位噪聲，但是偶次諧波是通過共模通路進行流動的，會影響到振蕩回路中的相位噪聲。要想減少偶次諧波中產生的噪聲，可以將一個大電容并聯(lián)到共模點上，這種方法有以下優(yōu)點：第一，可以減少由于共模點的產生的電壓波動；第二，可以減少偶次諧波中產生的噪聲。但是該方法也存在著一定的不足，并聯(lián)的電容會使電源電壓對LC振蕩回路的影響越來越明顯。要想減少LC諧振回路中電阻造成的能量損失，可以采取電感連接的方法，該電感的連接在偏置電流源管以及共模點之間是最好的，另外，連接的電感要具備接近無窮大的理想阻抗，這樣不僅能夠提高共模點產生的高阻抗，還可以減少諧振回路的品質因數(shù)。采取二次諧波濾波技術能夠在很大程度上減少壓控振蕩器產生的相位噪聲[2]。

3 鎖相環(huán)電路中壓控振蕩器的應用分析

將上述設計的壓控振蕩器應用于實際的鎖相環(huán)電路中，并對相關參數(shù)進行了分析。根據分析的數(shù)據和圖形顯示，在1.8V的控制電壓下，振蕩器的起振時間大約是227ns，在1.8V的控制電壓下，振幅是600mV；觀察壓控振蕩器的頻率與電壓調諧特性曲線可知，當控制電壓從0.7V增加到8V的過程中，壓控振蕩器的頻率從1.9GHz增加到了2.1GHz，頻率調諧擴寬了自身的范圍，最高是200MHz。然而，調諧電壓越來越大，振蕩器振蕩頻率增加的速度卻越來越小；觀察振蕩的中心頻率在2.0GHz附近的相位噪聲可以看出，使用了二次諧波濾波技術的壓控振蕩器所產生的相位噪聲在比較廣泛的范圍內都有了非常明顯地降低，而且越接近振蕩的中心頻率，相位噪聲降低的效果就越明顯，在寬調諧的范圍內具有非常穩(wěn)定和低小的相位噪聲，在電路中使用二次諧波技術進行一定的改造之后，在頻率是10KHz附近的相位噪聲是-47.82dBC/Hz，在頻率是400kHz附近的相位噪聲是-141.11dBC/Hz，在頻率是1MHz附近的相位噪聲是-148.83dBC/Hz，說明壓控振蕩器具有良好的噪聲性能。

4 結論

壓控振蕩器的性能會對鎖相環(huán)電路的使用產生決定性的影響。分析可得，通過對鎖相環(huán)電路中壓控振蕩器的分析與設計可知，在電路中使用二次諧波濾波技術，可以有效減少LC壓控振蕩器產生的相位噪聲，有效改善了壓控振蕩器的噪聲性能，從而促進鎖相環(huán)電路中壓控振蕩器的發(fā)展。希望本文可以為相關人員進行鎖相環(huán)電路中壓控振蕩器的分析與設計提供參考。

[1]秦軍瑞,陳吉華,趙振宇,梁斌,劉征.鎖相環(huán)電路中壓控振蕩器的SET響應研究[J].計算機工程與科學,2011,3302:75-79.

[2]何知龍,郭裕順.基于環(huán)形壓控振蕩器的電荷泵鎖相環(huán)設計[J].物聯(lián)網技術,2016,611:57-60.

Analysis and design of PLL VCO

Ouyang Yi, Li Yang, Li Jing
(China Shipbuilding Industry Corporation No. 722 Research Institute,Wuhan Hubei,430205)

This paper first analyzes the PLL circuit LC voltage controlled oscillator, and then the application circuit, PLL circuit of voltage controlled oscillator phase noise analysis and two harmonic filtering technology, finally the practical application of the circuit design and the corresponding results are analyzed The aim is to design a voltage controlled oscillator with better performance

PLL circuit; voltage controlled oscillator; two harmonic filter technology

歐陽軼(出生于1979年5月)，男，漢族，籍貫湖北，工程師，學士學位，研究方向通信技術。