[发明专利]压控振荡器

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体集成电路，特别是涉及一种压控振荡器（VCO）。

背景技术

VCO与锁相环技术虽然已提出近100年，在电子系统中应用广泛，同时对性能的要求也越来越高。现在的PLL芯片向着频率高、频带宽、集成度大、功耗低、价格低廉、功能强大等方向发展，其中核心单元VCO的设计至关重要，目前VCO设计所面临的主要问题有调节范围的限制：在极端的工艺和温度变化下一些CMOS振荡器的中心频率可能变化到两倍，调节范围的限制可能使其功能丧失。调节线性度：非线性使得锁相环的稳定性退化但是随着工作频率越来越高。功耗过大严重影响其使用范围。所以如何设计出高性能VCO电路时保证系统稳定需要解决的主要问题。

锁相环是具有非线性的反馈系统。然而，通过线性分析可以对其基本的操作做出很好的近似。在这样的分析中，Laplace变换是一个很有用的工具。传输函数的相关概念，即描述一个线性电路的输入端和输出端在S域的关系，被用于分析PLL的开环和闭环特性。如图1所示，为一个简化的锁相环的S域示意图。模块101为鉴频鉴相器(phase-frequency detectors,PFD)和电荷泵合并模块，由传输参数K_PFD表示，传输参数K_PFD等于I_CP/2π，Icp也即为图1中的Iout（s）。二阶环路滤波器形成的低通滤波器的阻抗由Z_LPF(S)表示。模块103表示压控振荡器（VCO），其转换增益K_VCO表示对于调谐电压Vcont（s）频率的敏感度。预分频电路104和低频分频器105分别用于分频，预分频电路104和低频分频器105分频比例分别由P和N表示，模块103输出频率信号Fout，预分频电路104输出频率信号Fout/P，低频分频器105输出频率信号F_bck。上述综合器即锁相环的开环传输函数可以定义成：

显示了一个由VCO引起的在原点处的极点。整个环路的动态特性由环路滤波器的传输函数决定，在这个例子中它是一个阻抗函数，它将电荷泵电流转换成VCO的调谐电压。Z_LPF(s)表示成

等式（2）表明第一个环路滤波器的极点在ω_p1＝0处，零点在

ω_z＝1/R₁C₁（3）

两个在原点处的极点（第一个由于VCO产生，第二个为ω_p1）可以补偿当相位裕度为0时环路的非稳定。加入ω_z稳定了环路，合适的位置可以提供足够的相位裕度，以确保环路稳定。为了得到一个对于第二个极点有意义的表达式，即和ω_z相关。通过在公式（2）中引入变量m=(C₁+C₂)/C₂，得到：

它表明第二个环路滤波器的极点在

将Z_LPF(s)化简成

使用公式（6），开环传输函数可以重新写为：

其中A为

在波特图中可以画出开环传输函数的幅度和相位，用于查看极点和零点的位置以及环路稳定的条件。如图2所示，在零点ω_z，斜率由40下降为20dB/dec，更重要的是，使相位从-180度开始增加。幅值为1或者0-dB处相位的值称为相位裕度（PM）。频率的交叉点为PLL的环路带宽，由ω_c表示。后者的计算是通过使式（7）H_OL(s)的幅度为1，从而得到：

其中，φ_z=tan^-1(ω_c/ω_z)，φ_p2＝tan^-1(ω_c/ω_p2)。相位裕度表示为：

理想地，要使相位裕度最大以确保环路的稳定，当然也要满足决定极点和零点位置的电阻和电容值的变化。可能的最大相位裕度可以通过对公式（10）进行微分运算而得到：

将ω_c代入公式（10），得到最大相位裕度：