基于MOS电容的压控振荡器设计

第２９卷第６期　２ＯＯ６年６月　合肥工业大学学报（自然科学版）　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＨＥＦＥＩ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　Ｖｏ１．２９　Ｎｏ．６　Ｊｕｎ．２ＯＯ６　基于ＭＯＳ电容的压控振荡器设计　窦建华，　张摘锋　吴　玺　（合肥工业大学计算机与信息学院，安徽　合肥　２３０００９）　要：传统的环形压控振荡器通常是利用控制电阻的方式来达到压控振荡的效果。文章利用容性耦合电流　放大器作为压控振荡器的基本反馈单元，并在输出端增加ＭＯＳ电容来控制振荡频率；分析了利用饱和区的　ＭＯＳ电容特性来实现压控的方法，并采用Ｓｍａｒｔｓｐｉｃｅ软件和０．６／，ｍ　ＣＭＯＳ工艺参数对该压控振荡器进行　了模拟；结果表明，这种方法对电路的静态工作点影响很小，输出交流波形的频率稳定度高，有良好的线性　调谐特性，达到了预期的效果。　关键词：压控振荡器；环形振荡器；ＩＭＯＳ电容；正反馈；调谐范围　中图分类号：ＴＮ４０２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００３—５０６０（２００６）０６—０７２１—０４　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａ　ｖｏｌｔａｇｅ－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＭＯＳ　ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ　ＤＯＵ　Ｊｉａｎ－ｈｕａ，　ＺＨＡＮＧ　Ｆｅｎｇ．　ＷＵ　Ｘｉ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｈｅｆｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ　２３０００９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｒｉｎｇ　ｖｏｌｔａｇｅ－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ（ＶＣＯ）ｏｆｔｅｎ　ｍａｋｅｓ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｖｏｌｔａｇｅ－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ　ｃｏｕｐｌｅｄ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ｉＳ　ｕｓｅｄ　ｈｅｒｅｉｎ　ａｓ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｆｅｅｄｂａｃｋ　ｕｎｉｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＶＣＯ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｉＳ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ＭＯＳ　ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ．Ｈｏｗ　ｔｏ　ｕｓｅ　ＭＯＳ　ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ　ｒｅｇｉｏｎ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ＶＣＯ　ｉｓ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ｓｍａｒ—　ｔｓｐｉｃｅ　ａｎｄ　ｂｙ　ａｄｏｐｔｉｎｇ　ｔｈｅ　０．６　Ｆｍ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ＣＭＯＳ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｈａｓ　ｆｅｗ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｔａｔｉｃ　ｐｏｉｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｄｅｇｒｅｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ＡＣ　ｗａｖｅｆｏｒｍ　ｉｓ　ｈｉｇｈ，ｍａｋｉｎｇ　ｔｈｉｓ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｈａｖｅ　ｂｅｔｔｅｒ　ｌｉｎｅａｒ　ｔｕｎｉｎｇ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｖｏｌｔａｇｅ－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ；ｒｉｎｇ－ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ；ＭＯＳ　ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ；ｐｏｓｉｔｉｖｅ－ｆｅｅｄｂａｃｋ；ｔｕｎｉｎｇ　ｒａｎｇｅ　振荡器是许多电路系统的主要部分，尤其是　压控振荡器（ＶＣＯ）应用十分广泛，应用范围从微　处理器中的时钟产生到蜂窝电话中的载波合成。　压控振荡器的输出为交流波形，而且其频率依赖　采用由电感和电容组成的ＬＣ谐振回路。但是　ＬＣ谐振回路需要无源器件，尤其高Ｑ值的电感，　而片内可集成电感由标准的ＣＭＯＳ工艺制造很　难取得高的Ｑ值　Ｊ。因此，本文所研究的ＶＣＯ　利用电阻和电容，采用正反馈的方式实现一种　ＲＣ环形压控振荡器（ＲＶＣＯ）　Ｊ。其ｖｃｏ的设　计是利用饱和区的ＭＯＳＦＥＴ的ＭＯＳ电容特性　来实现压控的目的，该方法具有良好的线性调谐　于输入电压Ｌ１Ｊ。根据振荡器原理可将振荡器分为　２类：①使用有源器件作为负载器件，加上ＬＣ谐　振回路，构成振荡电路；②使用正反馈回路构成　环形振荡器。人们为了得到较纯的输出频谱，常　收稿日期：２００５—０６—１０；修改日期：２００５—０７－２９　作者简介：窦建华（１９５４一），女，山东平度人，合肥工业大学副教授，硕士生导师　维普资讯 http://www.cqvip.com

７２２　特性和输出频率稳定度高的特点。　合肥工业大学学报（自然科学版）　１．２　ＭＯＳ电容及其特征曲线　第２９卷　１　环形压控振荡器ＲＶＣＯ设计　１．１　ＲＶＣ（）的电路结构　ＭＯＳ器件电容如图３所示，栅极下面的区域　是一个电容器结构，是ＭＯＳ管的核心，称为　ＭＯＳ电容Ｃ，可以看成电容Ｃ０　和Ｃｄ　。串联。　环形压控振荡器由４级差分电路和１级　ＣＭＯＳ反相器构成，如图１所示。振荡器的核心　部分由差分电路构成，电路中的电阻和电容决定　了电路的振荡频率。反相器的作用是，构成奇数　级反相作用，防止电路在低频状态被锁定；利用反　相器的缓冲和整形作用对输出波形进行整形，使　输出波形的振幅和中心电平都比较稳定。　图１环形压控振荡器框图　环形ＶＣＯ中的放大器有多种实现方式，本文采　用了容性耦合差分电流放大器，该电路在普通的　差分电流放大器ＣＡ（Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）的基础　上加上了耦合电容Ｃｓ。该电路与ＣＡ结构相比　具有：①能提供负输入电导，使振荡器容易起振；　②隔直流作用，可以抑制工作点的漂移；③跨导　具有带通特性，能提高振荡回路的Ｑ值和抑制噪　声等优点　。　因此，本文采用如图２所示的容性耦合电流　放大器，作为压控振荡器的基本反馈单元。其中　Ｍ。和Ｍ　工作在饱和区，分别等效为一个恒流　源。Ｍ　和Ｍ　工作在线性区，等效为可控电阻　Ｒｏｎｓ　Ｍ　和Ｍ。分别相当于一个电容Ｃ　它的　大小受Ｖ一　的控制。下面介绍Ｍ　和Ｍ。等效为　可控电容Ｃ。　的工作原理。　图２容性耦合电流放大器　图３　ＭＯＳ器件电容　其总电容为　Ｃ一（１／Ｃｏ　＋１／ｃｄｅＤ）１　（１）　其中，Ｃ０　是以ＳｉＯ２为介质的电容，是Ｓｉ表面和栅　极之间形成的平行板电容器，容量为　Ｃｏ　一—ａ：ｏｘ—ＡｅＷＬ　（２）　—ｏｘ——ｔｏｘ　ｔｏ　其中，Ａ为面积；ｆ。　为氧化层厚度；Ｃｏｘ为氧化层的　介电常数；ｗ为栅宽；Ｌ为栅长。　由（２）式可知，Ｃ０　与外电压无关。Ｃｄ　是衬底　和沟道之间的耗尽层电容，大小为　一ｗＬ√　（３）　其中，Ｎ　为Ｐ型衬底中的掺杂浓度　ｉ为硅的介　电常数；ｑ为电子电量；　是耗尽层的电位差。　耗尽层厚度Ｘ。为　Ｘ。一　（４）　根据（３）和（４）式，可以看出ＭＯＳ电容与外　加电压Ｖ。　的关系。　当　＜０时，栅极上的负电荷吸引了Ｐ型　衬底中的多数载流子——空穴，形成了氧化层电　容Ｃｎ　，这时耗尽层还没形成，所以衬底和沟道之　间的耗尽层电容Ｃｄ　。还不存在，ＭＯＳ电容Ｃ—　。　当Ｖ　＞ｏ时，栅极上的正电荷排斥ｓｉ中空　穴，并吸引硅中的电子到Ｓｉ—Ｓｉ０２的界面上，在栅　极下面形成了一个耗尽层。耗尽区中没有自由移　动的载流子，只有固定的负电荷，这些被束缚的负　电荷分布在厚度为Ｘ。的耗尽区内，形成了以耗　维普资讯 http://www.cqvip.com

第６期　窦建华，等：基于ＭＯＳ电容的压控振荡器设计　增大，排斥　７２３　尽层为介质的电容器Ｃ　。随着　荷的影响为２：１的关系，故　ＧＳ和　隅的作用分　别为２／３与Ｉ／３［４ｊ。　掉更多的空穴，耗尽层厚度Ｘ。增大，耗尽层上的　电压降　就增大，耗尽层电容Ｃｄｅｐ就减小。　当Ｃ（　继续增大时，排斥掉更多的空穴，吸引　了更多的电子，使Ｓｉ表面的电位下降。若这时硅　表面的电子浓度超过了空穴的浓度，半导体呈Ｎ　型，形成了反型层。这时电子的浓度还低于原来　的空穴浓度，只是一种弱反型层。当　，　达到阈　值　时，反型层中的电子浓度已达到原先的空　穴浓度。这时，耗尽层的厚度不再增加，Ｃ出　也不　再减小。这样，ＭＯＳ电容Ｃ就达到最小值　。　当　再增大，反型层中电子的浓度增加，来　自栅极正电荷的电力线，部分落在这些电子上，因　而，落在耗尽层上束缚电子的电力线数目有所下　降。这时，耗尽层电容Ｃｄ　。增加，Ｃ也增加，当　足够大时，全部电力线落到反型层中这些电子上，　反型层在栅和衬底之间起屏蔽作用，于是　Ｃ—Ｃｏ　且不再随　变化。因而，电容曲线出现　凹谷形，如图４所示　ｊ。　图４　ＭＯＳ电容凹谷形曲线　１．３　ＭＯＳ电容控制振荡频率的原理　图２中的Ｍ　或Ｍ８的等效电路，如图５所　示。因为ＭＯＳＦＥＴ的源漏间等效为一个压控电　流源，而电流源具有交流电阻大的特点，因此，对　于振荡电路的交流信号，Ｍ７和Ｍ。的源漏间等效　为断路。　讨论ＭＯＳ电容Ｃ对ＣＧ和ＣＤ的作用，Ｃ。和　Ｃ　分别取决于ＭＯＳ管的工作状态。因为在线性　区，与栅极电荷成比例的沟道电流为。　一　（ｗ／Ｌ）［（　一　Ｈ）一１／２　］　（５）　‘ＯＫ　由（５）式中　和　隅的系数可知，栅极电压　对栅极电荷的影响，与漏级电压　对栅极电　图５　ＭＯＳ晶体管等效电路　又因为在饱和区，沟道电流为　Ｊ隅：告　（‘ｏｘ　　）Ｌ　（　一ＶＴＨ）　（６）　这时沟道电荷已与　无关，沟道已夹断。因而，　ＣＧ—Ｃｃ，ｓ＋２／３Ｃ　ＣＤ—ＣＤＢ＋０　（７）　所以，在饱和区，当　。　变化时，ＣＤＢ几乎不变，ＣＧｓ　变化很小。而且，由（６）式可知，　隅对沟道电流　，隅没有影响，即ＭＯＳ电容Ｃ不受其影响，只受　栅压　控制，这正是本文所需要的。　因为环形振荡器属于张驰振荡器，而张驰振　荡器是靠对储能元件的充放电工作　ｊ。如图３所　示的ＭＯＳ电容Ｃ是影响等效电容Ｃ　变化的最主　要因素，其他寄生电容的变化可不考虑（如图５所　示）。　变化时，Ｃ　Ｃ　几乎不变，ＣＧＳ、ＣＧＤ变化　很小。所以，本文在差分单元的输出端并联Ｍ　和Ｍ。，用栅压　来改变等效电容Ｃ　，从而改　变环路的振荡频率。　因为Ｎ级振荡器的频率　一（２ＮＴＤ）一，其　中　表示每级电路的大信号延时　。而且图２作　为环形振荡器的一级，该振荡器的振荡频率为　ｆ。Ｃ　１　。Ｃ　—÷　１　．、　ｏ　（８）　Ｄ　、ｏｒ６，６，、ｖＬ　ＲＶＣＯ的振荡频率可以通过改变延时单元　的参数加以控制［６］，达到压控振荡的效果。传统　的方法是调节Ｒ　来改变振荡频率／　。如（８）　式，控制图２所示的ＰＭＯＳ管Ｍｓ和Ｍ　，并让其　工作在线性区，等效为一个可控电阻。控制电阻　的方式虽然有较宽的调谐范围，但它影响输出波　形的振幅和电路的静态工作点，使电路输出波形　在一定的频率范围内严重失真，将此振荡器用于　维普资讯 http://www.cqvip.com

７２４　合肥工业大学学报（自然科学版）　第２９卷　ｒ０　５　４　２　０　锁相环中，仿真后发现，在捕捉锁定过程中，其输　出波形的中心电平和振幅变化较大。　本文通过改变工作在饱和区的ＭＯＳ电容，　来控制ＲＣ环形振荡器的电容Ｃ　从而控制振荡　电路的频率，该方式对电路的静态工作点影响很　小，对电路的输出波形的振幅几乎没有影响，且调　频范围较大。将此振荡器用于锁相环，并进行仿　真发现，在捕捉锁定过程中，其输出波形的中心电　平和振幅几乎不变。当然，如果要获得更大的调　谐范围，也可以采用上述２种方式结合的方法，但　控制电路较为复杂，易引起较大的输出失真。　２模拟结果　设计采用了Ｓｍａｒｔｓｐｉｃｅ软件和０．６　ｍ　ＣＭＯＳ工艺参数对电路进行仿真。通过模拟仿　真，该振荡器的最高振荡频率为１．４２　ＧＨｚ，控制　电压的变化范围在０．７５～２．５　Ｖ之间时，其调谐　范围为ｌ～１．４２　ＧＨｚ，调谐范围达４２０　ＭＨｚ，输　出波形如图６所示。图７给出了压控调谐曲线，　在１～１．４　ＧＨｚ范围内，该电路有良好的线性调　谐特性。对该振荡器的输出进行了较长时间的仿　真，并对结果做快速傅里叶变换（ＦＦＴ）分析，得到　图８所示的频谱，从中可以看出其输出波形的工　作频率。图９为输出波形的眼图，眼图的张开度　很大，说明输出交流波形的频率稳定度很好。　图６压控振荡器的输出波形　图７压控振荡器的特性曲线　图８压控振荡器的频谱　６　４　＞　２　０　８００．７　８００．８　８００．９　８０１．０　８０１．０５　＃ｎｓ　图９输出信号的模拟眼图　３结　论　对压控振荡器电路进行了分析和模拟。结果　表明，该ＶＣＯ电路可以工作在１．３５　ＧＨｚ的频率　以上，其调谐特性和频率稳定度都达到了令人满　意的效果。　［参考文献］　［１３　Ｗｉｌｋｉｎ　Ｊ．Ｖｏｌｔａｇｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ［ＤＢ／ＯＬ￣．ｈｔｔｐ：／／　Ⅵｎ＾ｒｗ．ｅｅｃｇ．ｕｔｏｒｏｎｔｏ．ｃａ／　ｋｐｈａｎｇ／ｐａｐｅｒｓ１．ｈｔｍ，２００４—０３—　１５．　［２］刘　丽，王志功，顾峥．基于０．２５　ｍ　ＣＭＯＳ工艺的　２．５　ＧＨｚ的锁相环电路［Ａ］．全国光电子器件与集成技术会　议［ｃ］．桂林：２００１．７０—７２．　［３３顾峥，王志功，冯军，等．容性耦合差分结构与可单片　集成的低噪声压控振荡器（ＶＣＯ）［Ａ］．中国第十五届电路　与系统学术年会［ｃ］．广州：１９９９．８１－－８４．　［４３王志功，沈永朝．集成电路设计基础［Ｍ］．北京：电子工业出　版社，２００４．６２—６５．　［５３　Ｂｅｈｚａｄ　Ｒａｚａｖｉ．模拟ＣＭＯＳ集成电路设计［Ｍ］．陈贵灿，程　军，张瑞智，等译．西安：西安交通大学出版社，２００３．　３９３～４０１．　［６］王志功．光纤通信集成电路设计［Ｍ］．北京：高等教育出版　社，２００３．１９６—２０４．　［７］王志功．电压双重平衡微波毫米波压控振荡器ＭＩＶｌＩＣ［Ａ］．　中国微波毫米波年会［ｃ］．１９９８．５２—５５．　２８３方芳，王志功，刘军，等．３５　ＧＨｚ　ＨＥＭＴ压控振荡器　［Ａ］．１９９９全国微波毫米波会议论文集［ｃ］．长沙：１９９９：２２９　２３２．　（责任编辑张秋娟）