苏州大学文正学院 付文杰

带温度电压补偿的高精度环形压控振荡器设计

苏州大学文正学院 付文杰

采用CSMC 0．35um CMOS工艺，设计了带有温度反馈调节和电压反馈调节的三级高精度全差分式压控振荡器。由于具有温度电压反馈调节，使压控振荡器能够在电源电压、温度大幅度改变的环境下保持良好稳定的频率输出。主要参数性能有：在27℃温度下，电源电压2．5～5．5V变化时，压控振荡器输出频率变化小于1360ppm；在4V电压下，工作温度-30℃～80℃变化时，压控振荡器频率变化小于1770ppm；压控电压在±100mV之间变化时，可实现输出频率233．3MHz～518．4MHz；在5．5V电压下，工作电流小于3mA。

压控振荡器；环形压控振荡器；温度补偿；电压补偿；高精度

0 引言

在小型化可穿戴电子产品中，晶体振荡器作为SOC参考时钟占有很大空间体积，如果设计高精度压控振荡器，可以省去晶体空间体积，降低成本和减小晶体参考时钟部分电路功耗。VCO作为锁相环的重要组成部分，其调节范围、频率灵敏度以及电源电压、工作温度变化对输出信号的作用，对整个电路的性能造成了很大影响。因此如何设计出一款低功耗高精度压控振荡器，已成为可穿戴智能设备芯片中模拟集成电路的重大挑战。

振荡器是将直流电源能量转换成交流能量的电路。为了在没有外部输入信号的情况下能够产生自我维持的输出震荡信号，振荡器本身必须有正反馈和足够的增益以克服反馈路径上的损耗，同时还需要选频网络。振荡器的种类有很多：RC环形振荡器、LC振荡器、晶体振荡器。在本文的设计中，我们采用RC环形振荡器。[2]

图1 正反馈放大器原理框图

正反馈放大器原理框图如图1所示，放大器的输出电压。

上述公式为整理后放大器的闭环增益，正反馈将不断增加的输出电压反馈到输入端，直至下列关系式成立。

这个关系式就是振荡器的巴克豪森条件，用幅度和相位表示。

1 电路设计

1.1 振荡器级数选取

N级振荡器的振荡频率，其中表示每一级电路的大信号延时，有。从振荡频率的计算式可看出，环形振荡器的级数越少，振荡频率越高，而级数越多，抖动会被一级级放大，相位误差积累效应会越发严重。所以，从性能的因素考虑，环形振荡器的级数较少为好，最少为三级。本文采用三级延迟单元。

根据三阶环形振荡器，如图2所示。

图2 三级延迟单元

图3 单级延迟单元结构

由巴克豪森准则得：1.2 延迟单元结构

图3是本文中采用的延迟单元结构，负载由、、交叉耦合晶体管对、和源级电阻、组成。交叉耦合晶体管对表现出负电阻，其阻值可由偏置电流源控制。在源极增加电阻是减少温度的影响。电流镜结构有效减少了沟道长度调制效应残生的电阻影响。

当差动压控电压Vcon1减小，Vcon2增大时，小信号电阻绝对值变小，等效电阻增大，使震荡频率降低，达到压控调节的效果。[1]

1.3 偏置电路设计

电流控制电路如图4所示，固定震荡电路的总电流,使电路的摆幅不发生变化。再通过改变负电阻支路的电流以实现压控功能。

图4 电流控制电路

电压控制电路为差动输入，降低共模噪声。差动输入电压的变化引起两个支路电流的变化，通过左右两个电流镜来相减两个电流。

增加源级电阻的作用是：

①减少跨到受到温度的影响（因为电阻受到温度影响比较小）。

②增加线性度。

图5 电压控制电路

对温度的补偿本文没有采用传统的三极管结构，避免了电源电压变化对三极管电路电流的影响，此外更有效的减少了后期版图设计的大小，更有利于集成。

由于电源电压在4.0V到5.5V时，电流受到沟道长度调制效应的影响成二次线性关系变化，因此需要解决如下几点问题：

①Vdd在0～4.0V之间不能对电路有影响。

②Vdd在2.5V～5.5V时对电流有补偿的作用。

③电流受到温度的影响尽量小。

减少阈值电压会受到沟道长度调制效应的影响，但降低电路的二次方程的非线性影响。电源的非线性主要是二次方程的影响，因此在小范围内两者可以相抵消。[3]

将所有补偿电路都连接到电路中后，只需修改三个参数：温度补偿电路和两个电压补偿电路的镜像MOS管的宽长比。先调节镜像MOS管的宽长比来减少电源电路对频率的影响，再调节温度补偿电路中MOS管的宽长比。由于补偿电路受到温度的影响较小，设计时对电压补偿电路参数的选定放到了最后。图6为压控振荡器完整电路原理图。

图6 VCO整体原理图

2 仿真结果与性能分析比较

在Argus下对所设计的电压温度补偿全差分环形压控振荡器进行了仿真。将电源电压定为4V，温度在27的环境下，压控电压从-100mV到100mV变化时，在其频率特性如图7所示。频率从233.3MHz增加到518.4MHz，达到了设计所要求的频率调节范围。

图7 Vdd=4V,temp=27 压控电压频域特性

图8所示为VCO的电源电压补偿特性，在27时，电压从2.5V到4.5V时，温度补偿特性尤其显著，达到了1000ppm以内的精确度，但由于再次升高的电源电压使多处晶体管的沟道调制效应无法被补偿，造成频率的大幅度变化，使得精确度最终定在了1360ppm。

图8 Vdd=4V,Vcon=0,随温度变化的频域特性

图9为VCO的电源电压为4V时输出频率随温度变化的特性曲线，精确度在1770ppm。

图9 Vdd=4V,Vcon=0,随温度变化的频域特性

3 版图设计

在VCO电路设计中，版图结构十分重要，其寄生参数对VCO频率的影响不可忽略，对于三级运放延迟单元，本文采取了差分对称结构布局，更有效的抑制共模噪声。

对于延迟单元输出信号线采用的最高层金属走线，相比较最高层金属厚度最大，电阻率最低，寄生电阻小。由于最底两层金属寄生电容大，有利于滤去电源噪声，因此电源线采用了最低两层的金属，如图10所示。[4]

图10 核心模块版图

在加了测试PAD后整块版图出现了大面积的不均匀，流片的成品率造成不可忽视的影响，因此在空缺处外加了大电容覆盖，使整体布局更均匀，并有效地对电源电压进行了滤波。如图11所示。

图11 加了PAD、seal ring的整体版图

4 结束语

采用华大九天公司的Aether软件设计，基于CSMC 0.35um工艺，本设计完成了频率从315MHz～433.92MHz范围可调，并实现了电压2.5V～5.5V变化、温度从-30～80变化下，VCO频率1000ppm精确度的输出。总结构电流小于3mA，满足了可穿戴设备的一般要求，芯片核心模块面积只有210um*235um，极大的减少了设计成本，能够应用于环境多变的可穿戴设备芯片中。

[1]Behzad Razavi．模拟CMOS集成电路设计[M]．陈桂灿等译．西安交通大学出版社,2003:391-430．

[2]李智群,王志功．射频集成电路与系统[M]．科学出版社,2008:275-276．

[3]刘清波．0．18umCMOS压控振荡器研究与设计:[湖南大学硕士学位论文][D]．微电子学与固体电子学,2010:4-48．

[4]房军梁,张长春,陈德媛,等．一种新颖的正交输出伪差分环形VCO的设计[J]．南京有点大学学报:自然科学版,2014,34-2:100-104．