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内嵌PLL中的CMOS压控环形振荡器设计方案分析
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2017-10-24
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1 引言
在现代高性能DSP芯片设计中，锁相环（PLL）被广泛用作片内时钟发生器，实现相位同步及时钟倍频。压控振荡器（VCO）作为PLL电路的关键模块，其性能将直接决定PLL的整体工作质量。目前，在CMOS工艺中实现的VCO主要有两大类：LC压控振荡器和环形压控振荡器。其中LC压控振荡器具有较低的相位噪声和较低的功耗，但需要采用片上集成电感，因而占用很大的芯片面积，且调谐范围较小。而CMOS环形振荡器有着频率调节范围大，芯片面积小，制造工艺简单等优点，且可以通过调整振荡器的级数，方便的获得不同相位的一系列时钟，因此在系统芯片（SOC）中有着更为广泛的应用。
本文提出了一种采用四级延迟单元的CMOS环形压控振荡器，每级采用调节电流源大小，改变电容放电速度的方式，在方便的提供正交输出时钟的同时，具有2MHz至90MHz频率调节范围以及较低的功耗，可满足DSP芯片时钟系统的应用要求。
2 VCO电路设计
在锁相环系统中VCO的作用是根据不同的控制电压．输出相应振荡频率的波形，并将其输入至分频器，从而反馈到输入端。因此理想的VCO其特性函数应为：
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其中Kvco为常数，表示电路的灵敏度。而实际的VCO调节特性表现出非线性，也就是Kvco不是常数，这种非线性使锁相环的稳定性退化，因此我们希望在尽可能宽的频率调节范围内Kvco的变化最小。
2．1 整体电路结构
压控环形振荡电路的整体结构框图如图1所示，整个环路由四级延迟单元构成，每级延迟为TD，其中前三级电路接成反相的，最后一级电路正相连接，因此电路不会被锁定，且每级振荡电路的输出时钟相移为45°。
图1 压控环形振荡器的整体结构框图
这里，V是电荷泵的输出电压经低通环路滤波器去除高频成分后的直流分量，用来控制每级延迟单元的延迟时间。Venable是来自外部控制电路的使能信号，当Venable为低电平时每级差分输出的两端均为“0”，此时整个VCO电路关闭，停止振荡；当Venable为高电平，电路正常工作时，环路在连续的电压结点之闸以的延迟振荡，产生的振荡周期为8TD。只要在输入电压和延迟时间TD之问建立起线形的关系，输出信号的频率F∝1/TD，就能够实现VCO所需的输入电压和输出频率之间的线性关系。
2．2单元电路设计
图2 延迟单元电路图
振荡器延迟单元的电路结构如图2所示，电路采用RS触发结构来产生差分输出的信号，这在消除静态功耗的同时，具有较好的抗噪声性能。图中的M1管和M4管分别提供对电容C1和C2充电时的电流。M2管和M5管作为电流源提供电容放电时的电流，其电流大小随控制电压V而改变，从而实现对电容放电速度的调节。另外，电容C1和C2是用源漏端接地的NMOS管制成的MOS栅氧电容，具有很高的单位面积电容值，以及较好的精度。
在现代高性能DSP芯片设计中，锁相环（PLL）被广泛用作片内时钟发生器，实现相位同步及时钟倍频。压控振荡器（VCO）作为PLL电路的关键模块，其性能将直接决定PLL的整体工作质量。目前，在CMOS工艺中实现的VCO主要有两大类：LC压控振荡器和环形压控振荡器。其中LC压控振荡器具有较低的相位噪声和较低的功耗，但需要采用片上集成电感，因而占用很大的芯片面积，且调谐范围较小。而CMOS环形振荡器有着频率调节范围大，芯片面积小，制造工艺简单等优点，且可以通过调整振荡器的级数，方便的获得不同相位的一系列时钟，因此在系统芯片（SOC）中有着更为广泛的应用。
本文提出了一种采用四级延迟单元的CMOS环形压控振荡器，每级采用调节电流源大小，改变电容放电速度的方式，在方便的提供正交输出时钟的同时，具有2MHz至90MHz频率调节范围以及较低的功耗，可满足DSP芯片时钟系统的应用要求。
2 VCO电路设计
在锁相环系统中VCO的作用是根据不同的控制电压．输出相应振荡频率的波形，并将其输入至分频器，从而反馈到输入端。因此理想的VCO其特性函数应为：
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其中Kvco为常数，表示电路的灵敏度。而实际的VCO调节特性表现出非线性，也就是Kvco不是常数，这种非线性使锁相环的稳定性退化，因此我们希望在尽可能宽的频率调节范围内Kvco的变化最小。
2．1 整体电路结构
压控环形振荡电路的整体结构框图如图1所示，整个环路由四级延迟单元构成，每级延迟为TD，其中前三级电路接成反相的，最后一级电路正相连接，因此电路不会被锁定，且每级振荡电路的输出时钟相移为45°。
图1 压控环形振荡器的整体结构框图
这里，V是电荷泵的输出电压经低通环路滤波器去除高频成分后的直流分量，用来控制每级延迟单元的延迟时间。Venable是来自外部控制电路的使能信号，当Venable为低电平时每级差分输出的两端均为“0”，此时整个VCO电路关闭，停止振荡；当Venable为高电平，电路正常工作时，环路在连续的电压结点之闸以的延迟振荡，产生的振荡周期为8TD。只要在输入电压和延迟时间TD之问建立起线形的关系，输出信号的频率F∝1/TD，就能够实现VCO所需的输入电压和输出频率之间的线性关系。
2．2单元电路设计
图2 延迟单元电路图
振荡器延迟单元的电路结构如图2所示，电路采用RS触发结构来产生差分输出的信号，这在消除静态功耗的同时，具有较好的抗噪声性能。图中的M1管和M4管分别提供对电容C1和C2充电时的电流。M2管和M5管作为电流源提供电容放电时的电流，其电流大小随控制电压V而改变，从而实现对电容放电速度的调节。另外，电容C1和C2是用源漏端接地的NMOS管制成的MOS栅氧电容，具有很高的单位面积电容值，以及较好的精度。
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