一種用于鎖相環(huán)的壓控振蕩器的設(shè)計

1、華中科技人學(xué) 碩士學(xué)位論文-種用于鎖相環(huán)的壓控振蕩器的設(shè)計姓名：沈樂豐申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：微電子與固體電子學(xué)指導(dǎo)教師：劉三清20050429隨著現(xiàn)代通訊技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備對斥控振蕩器的要求越來越高，傳統(tǒng)的斥控 振蕩器功耗啟八穩(wěn)定性差、頻率范圍窄并且難以集成。本論文采用CMOS工藝，設(shè)計 了一個高穩(wěn)定性、寬頻帶范11；1的單片集成的斥控振蕩器，它能很好的應(yīng)用于鎖相環(huán)電 路中，滿足通訊設(shè)備的使用需要。木振蕩器采用恒流充放電多諧振蕩的電路結(jié)構(gòu)，整個電路由帶隙基準源模塊、電 流源模塊、控制電壓輸入模塊和流控振蕩器模塊四個部分組成。其中帶隙皋準源模塊 利用帶隙技術(shù)設(shè)計產(chǎn)生了一個接近零溫漂高穩(wěn)定的基

2、準電壓，流控振蕩器模塊通過對 傳統(tǒng)的射極耦合振蕩結(jié)構(gòu)進行改進而得到，電路采用全對稱的電路形式，大大減少了 各種噪聲對電路性能的影響。通過亜點對這兩個模塊的優(yōu)化設(shè)計，我們使得輸出的振 蕩頻率不再何接依賴丁某一個器件的參數(shù)，而是讓器件單個參數(shù)的影響作用能相互抵 消，最后的頻率只體現(xiàn)了器件的比值關(guān)系，這就從根本防止了因為器件參數(shù)的溫度系 數(shù)引起輸出頻率的漂移，從而使得壓控振蕩器具有相當(dāng)好的溫度穩(wěn)定性。本芯片某丁 1. 2um CMOS 2P2M C12DDR工藝進行設(shè)計，在該振蕩器的設(shè)計過程中, 我們利用Cadence公司的仿真匸具Analog Art ist對電路進行了分析仿真,而對仿真 的結(jié)果分

3、析表明，本文論述的壓控振蕩器能夠達到設(shè)計的耍求。關(guān)鍵詞：振蕩器 帶隙基準 溫漂 電源抑制比 噪聲ABSTRACTAMtli the development of modem coinjinnucation teclmology, moie and more icquiies in electroiuc equipjnent aie biouglit to voltage contioiled oscillatoi. In classic vco , it lias lugh consume, pool frequency stability; iianow frequency range an

4、d it is liard to integrate Tins article is conceiiung a jnoiulitluc mtegiated vco ciicuit wluch lias lugli fiequency stability and wide fiequency Lange.1( can be applied in lock loop circuit and meets needs of cojiunuiucatioii equipment Tlus oscillatoi is a constant-cunent lelaxation oscillated comp

5、onent. The ciicuit is composed of four parts: band gap module, cunent source module, coutiol-x oltage-input module and cunent contiol oscillatoi module A zero temperatiiie coefficient voltage lefereiice is achieved in band gap jnodule The cunent controlled oscillator is an unproved stmctine based on

6、 enutter coupled lelaxation voltage controlled oscillatoi. The ciicuit is synuiietnc configuration, and tlus helps to decrease noise effect. With particular empliasis on tlus two module optimized, the output fiequency of oscillator is not depended on device paiauietei. Tlus helps to nniuimze the eff

7、ect of tempeiatiiie dnft in fiequeucv. Independeuce output fiequency make the vco steady.This design is based on 1.2uni CMOS C12DDR process. By using the EDA tools Analog Anist of Cadence Design Systejns Inc., the vco circuit was analyzed and simulated. The simulatiou results show tliat the vco dese

8、nbed m the thesis cau aclueve the Jiiain lequiied characteristics Keywords: Oscillatoi, Bandgap, Tempeintuie dnft, PSRR, Noise獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個人在導(dǎo)師的指導(dǎo)卜進行的研究工 作及取得的研究成果。近我所知，除文屮已標明引用的內(nèi)容外，本論文不 包含任何其他人或集體已經(jīng)發(fā)農(nóng)或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出 貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明 的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。學(xué)位論文作者簽名：沈樂豐H 期：2005 年 5 月 11

9、 H學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，BP： 學(xué)校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電了版，允許 論文被查閱和借閱。本人授權(quán)華中科技人學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部 分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或打描等復(fù)制手段 保存和匯編本學(xué)位論文。保密口，在年解密后適用本授權(quán)數(shù)。本論文屬于不彳呆罅彳r7i（請在以上方框內(nèi)打“1”）學(xué)位論文作者簽名：沈樂豐指導(dǎo)教師簽名：劉三清F1期：2005年5月11 fl日期：2004年5月11 H振蕩器一般作為信號源在電子系統(tǒng)屮應(yīng)用，應(yīng)用時常常要求振蕩器產(chǎn)生的信號頻 率是可調(diào)的，即輸岀的振蕩頻率是

10、輸入的控制信弓的線性函數(shù)，其中輸入控制信號常 常為電床信號，我們把這一重要類型的振蕩器稱為壓控振蕩器（VCO）。床控振蕩器 （VCO）作為信號產(chǎn)生源的關(guān)鍵部件應(yīng)用十分廣泛，在程控交換機、移動終端、衛(wèi)星 通信、導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)、數(shù)字無線通信、光學(xué)多工器、光發(fā)射機和其他電子系統(tǒng)中，壓 控振蕩器都占有重要地位l2o隨著通訊工業(yè)的迅速發(fā)展特別是無線通訊技術(shù)的興起，電子系統(tǒng)延續(xù)了小型化， 高件能，低成本的發(fā)展趨勢，這些發(fā)展需求推動了斥控振蕩器設(shè)計要不斷突破今天在 各方而所受限制，設(shè)計出新的爪控振蕩器來。各i殳計單位對爪控掠蕩器的設(shè)計和研究 一旬以來都很活躍，在性能上，設(shè)計出高振蕩頻率，寬頻率范圍，低溫度漂移

11、，低相 位噪聲的振蕩器一直是設(shè)計者的目標。電路形式上，為了滿足小型化的要求，單片集 成的壓控振蕩器成為主流，任很多移動設(shè)備中，壓控振蕩器已經(jīng)和系統(tǒng)的其他部分集 成在一起了。匸藝選擇上，從七十年代以來，由于對MOS管基本理論和制造匸藝的深 入研究，加上電路設(shè)計技術(shù)和匸藝技術(shù)的不斷進步，MOS集成電路得到了迅速的發(fā)展。 其中CMOS工藝因為它的高集成度、低功耗、低成木等特點已成為集成電路的主流工 藝，據(jù)統(tǒng)計2003年，CMOS集成電路占據(jù)85%以上的份額。因此本文將基/CMOS I： 藝的單片集成尚性能壓控振蕩器作為研究對彖，具有一定的先進性和實用性。1.1課題的來源本課題所設(shè)計的壓控振蕩器是為某

12、通訊公司需要而進行的全定制設(shè)計，它將瞽代 相應(yīng)的進口芯片，任其設(shè)備中大規(guī)模使用，因此需求最很大，應(yīng)用很廣闊。任使用時, 此芯片是在鎖相環(huán)電路中，做為鎖相冋路的一個重要組成單元而出現(xiàn)。鎖相環(huán)路是一 個實現(xiàn)兩個電性號相位同步的Il動控制系統(tǒng)，當(dāng)鎖相環(huán)的輸入信號和環(huán)路的輸出信號 之間存在相位差時，在鎖相環(huán)控制機構(gòu)的控制作用下，可以使振蕩器輸出信號和輸入信號之間的相位差減至最小。最簡單的鎖相環(huán)方框圖如下所示。圖1-1鎖相環(huán)系統(tǒng)方框圖鎖相環(huán)有三個基本部件：壓控振蕩器(VCO),鑒相器(PD)和環(huán)路濾波器。鑒相 器是相位比較裝置，有時也叫做相位比較器或相敏檢波器。它把輸出信號出和參考 信號U的相位進行比較

13、，產(chǎn)生對應(yīng)丁兩信號相位差叭的誤差電壓。環(huán)路濾波器 的作用是濾除誤差電Hwd中的高頻成分和噪聲，以保證環(huán)路所要求的性能，增加系 統(tǒng)的穩(wěn)定性。丿E控振蕩器受控制電Hwc(t)的控制，使壓控振蕩器的頻率向參考信號的 頻率接近，也就是使差拍頻率越來越低，氏至消除頻率差而鎖定31(4 0鎖相技術(shù)的最大作用是穩(wěn)頻和同步，交換機作為比較大的通信系統(tǒng)，有多處耍用 鎖相環(huán)進行數(shù)據(jù)時鐘的穩(wěn)頻和同步。交換機在與外部進行通訊時，由丁干擾和噪聲， 發(fā)出或接收到的數(shù)據(jù)的周期經(jīng)常會隨機地發(fā)生變化，一般稱這種周期的變化為抖動, 這種時鐘的抖動是數(shù)字系統(tǒng)所不希卑的，因為它可能會造成電路的誤動作，從而導(dǎo)致 系統(tǒng)功能失效。為了減小

14、由丁信號間的干擾和電源噪聲引起的時鐘抖動，可以用鎖相 環(huán)來進行數(shù)據(jù)再生。在內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸時由丁要報動負載和互聯(lián)線的電容，需要在時鐘 線上插入驅(qū)動級。然而驅(qū)動級會產(chǎn)生一定的延時，引起內(nèi)外時鐘的不一致.如果把這個 延時當(dāng)作一個相位轉(zhuǎn)換，電路中加上鎖相環(huán)，可以消除這個延時。作為鎖相環(huán)中的壓控振蕩器，設(shè)計要考慮與系統(tǒng)整體相配合的性能參數(shù)：中心頻 率、頻率變化范圍、頻率的穩(wěn)定度、相位噪聲、壓控的線性度等等。為了滿足通訊所 提的技術(shù)要求，木課題將用CMOS電路構(gòu)建一個高性能多諧床控振蕩器，在這個電路 中，振蕩器可以在很寬的頻率范圍內(nèi)線性的工作,較低的相位噪聲,較低的電源抑制 比和較好的溫度穩(wěn)定性。1.2壓控

15、振蕩器的發(fā)展?fàn)顩r斥控振蕩器的發(fā)展和其他電子產(chǎn)品的發(fā)展一樣經(jīng)歷了電子管、晶體管、單片集成 之路。上世紀初，Annstiong首先發(fā)明了電子管振蕩器，經(jīng)Hartley改進電路設(shè)計制造 出了以他H己名字命名拓撲結(jié)構(gòu)的振蕩器電路，并用電子管實現(xiàn)了第一個斥控振蕩 器。在他制造的振蕩電路中，他將電子管作為放大器使用，并用電感反饋產(chǎn)生了一個 再生振蕩。振蕩器的頻率是由線圈電感和電路電容決定的，振蕩頻率調(diào)節(jié)是通過改變 振蕩電路屮電感器或電容器的參數(shù)值來進行的。Hanley振蕩器電路很快在發(fā)射機屮普 及起來并在第一次世界大戰(zhàn)中得到大范圍應(yīng)用。同時代有很多其他科學(xué)家也對電子管 振蕩電路開展了大就的研究，今天仍在沿

16、用的Hartley, Colpitts. Clapp, Armstrong, Pieice等經(jīng)典振蕩電路結(jié)構(gòu)，就是當(dāng)時的研究成果習(xí)。到了四十年代木，第一個雙極熨晶體管在貝爾實驗室誕生，晶體管很快取代電子 管成為振蕩電路的有源器件，這極人地改變了振蕩器的實現(xiàn)技術(shù)和已經(jīng)建匸的振蕩器 拓撲結(jié)構(gòu)。在這期間變?nèi)荻O管的應(yīng)用對VCO的發(fā)展具有重耍意義。變?nèi)荻O管本質(zhì) 上是個反偏的PN結(jié)，它的結(jié)電容可以隨外加電斥的改變而變化。用變?nèi)荻O管作斥控 器件，改變其控制電壓就可實現(xiàn)VCO振蕩頻率的調(diào)節(jié)。這樣，晶體管、變?nèi)荻O管和 其他無源元件就構(gòu)成了分立式的晶體管VCO。這種晶體管VCO不再需耍對電路中的電 感或電

17、容進行機械的調(diào)節(jié)，代Z的是振蕩頻率的電子調(diào)諧。而電子調(diào)諧可以實現(xiàn)對頻 率源信號粘確的電子控制，在鎖相環(huán)(PLL)電路發(fā)展過程中起到的作用也是不可估鼠 的。與電子管VCO相比較，晶體管VCO具有電子調(diào)諧、體積小、成本低、功耗小、 質(zhì)暈好、調(diào)頻范闌設(shè)置簡便等優(yōu)點。晶體管VCO的發(fā)展也是電視技術(shù)能在當(dāng)時迅速推 廣的重耍原因。1960年至1980年，晶體管VCO被電子系統(tǒng)設(shè)計所廣泛采用。進入八十年代，移動通訊系統(tǒng)開始出現(xiàn)并得到迅猛的發(fā)展，這極大的擴大fVCO 的需求暈，并且也對它的各方而的性能提出了新的耍求。耍求之一是小型化，移動通 訊產(chǎn)品的體積有限，集成度要求高，分離元件VCO顯然不能滿足需要。這樣

18、首先產(chǎn)生 rvco模塊組件，即一個建立在一塊襯底上并安裝在金屬外殼內(nèi)的分立元件振蕩器的 微縮版本。模塊是獨立的，只需耍外接地、電源、調(diào)諧電壓和輸出負載。隨著元件的 小型化，和封裝技術(shù)的發(fā)展，VCO模組的的尺寸得到極大的減小，市場上的模組的尺 寸已達到41J111JX 5nmiX2ninio與模組VCO發(fā)展的同時,單片集成的VCO也開發(fā)了出 來，得以發(fā)展。單片ICVCO技術(shù)是將所有的LCVCO電路元件，包括晶體管、電容、 電阻、電感和變?nèi)荻O管，都集成到一塊芯片上的一種VCO實現(xiàn)技術(shù)。與VCO模塊相 同，這些器件經(jīng)過配置組成一個完整的VCO,外部只需要連接電源、地、輸出、調(diào)諧 輸入和數(shù)字控制線。

19、與模組VCO比較，單片集成的VCO體積更小，成本更低。并且在 藝兼容的條件下，集成的VCO模塊可以做進它所應(yīng)用的系統(tǒng)芯片中，從而成為系統(tǒng) 整體的一部分，血接提高系統(tǒng)的性能。1.3課題的研究思路和主要內(nèi)容如前節(jié)所述，斥控振蕩器應(yīng)用廣泛，國外的學(xué)者和公司對它進行了大最的理論研 究和設(shè)計實踐，各種高性能的VCO振蕩器不斷推句市場，應(yīng)用丁電子產(chǎn)品中。但在國 內(nèi)，雖然我們是電子產(chǎn)品消費大國，振蕩器需求的帚很大，可是由丁棊礎(chǔ)比較差，IC 設(shè)計水平相對落后，具有I主知識產(chǎn)權(quán)的壓控振蕩器不僅數(shù)量少，而且性能也不理想, 拓性能的壓控振蕩器產(chǎn)品大多依賴進口。因此立足丁實際工程實踐需要設(shè)計高性能的 斥控振蕩器不僅有

20、很好的實用杵和經(jīng)濟效益，而且有助提高我們的設(shè)計水平，促進中 國集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。木課題根據(jù)實際的匸程需耍采用CMOS技術(shù)進行床控振蕩器電路的設(shè)計研究。電 路采用全定制的方法進行設(shè)計，設(shè)計從芯片的整體結(jié)構(gòu)劃分開始，根據(jù)性能的要求選 収各單元采用的具體結(jié)構(gòu)，最終確定MOS管組成的具體電路，并且根據(jù)電路設(shè)計出制 造IC芯片所需耍的版圖。設(shè)計中對各部分電路進行了仿真，并且對如何提高斥控振蕩 器的性能進行了討論。本文的后續(xù)章節(jié)的安排如下：第二章壓控振蕩器的基木匸作原理，比較調(diào)諧振蕩器和多諧振蕩器的各H特點， 分析床控振蕩器性能參數(shù)的要求。第三章詳細介紹芯片的電路設(shè)計。討論輸入電路、基準電路、主振蕩電路

21、等各個 模塊的設(shè)計思想方法和過程，通過分析比較不同的電路形式得出優(yōu)化的電路結(jié)構(gòu)。分 析設(shè)計屮對各模塊進行了仿真，給出了仿真結(jié)果。笫四章 介紹按照Belling 1.2umCMOS工藝進行電路的版圖設(shè)計，討論了版圖的設(shè) 計方法和設(shè)計流程。第五章結(jié)論52壓控振蕩器的原理圧控振蕩器為頻率可調(diào)的振蕩器，它的設(shè)計是慕振蕩器振蕩電路的實現(xiàn)為某礎(chǔ) 的。振蕩器產(chǎn)生連續(xù)、重復(fù)的周期性信號輸出，和其它的電路輸出是輸入信號的放大 或梢形不同，振蕩器電路在持續(xù)不斷的輸出時并不存在著輸入。電斥控制振蕩器是輸 出信號的頻率隨輸入控制電壓變化的振蕩器?？刂普袷庮l率的變化人致可以通過以下 的兒種方法來實現(xiàn)：（1）改變振蕩器的

22、電阻、電感、電容等無源元件參數(shù)。（2）改變 振蕩器的有源器件參數(shù)。（3）改變振蕩器定時元件的充放電電用值或電流值等o 振蕩器的組成形式有非常多樣的變化，但從總體上來說，我們把振蕩器暫且可以 分成兩大類：（1）調(diào)諧振蕩器，產(chǎn)生接近正弦波的輸出。它通常由某種反饋形式的頻 率選擇電路或者調(diào)諧電路實現(xiàn)，它可以進一步分為RC電路，開關(guān)電容電路，LC電 路和晶體振蕩電路等形式。（2）多諧振蕩器，產(chǎn)生方波或者三角波的輸出。電路在兩 個暫穩(wěn)態(tài)間來冋的振蕩，是一種非線杵的振蕩器，主要實現(xiàn)的電路形式有張馳振蕩器 和環(huán)行振蕩器。無論那種振蕩器，都可構(gòu)成壓控振蕩器。設(shè)計壓控振蕩器酋先耍從分 析振蕩器的振蕩原理開始，本

23、章將對這兩種振蕩器的匸作原理進行分析，并在它們的 基礎(chǔ)上分別構(gòu)建床控振蕩器，比較它們的性能差異。2.1調(diào)諧壓控振蕩器調(diào)諧振蕩器系統(tǒng)一般由兩部分基木電路組成：一個放大器提供必要的信號增益：個反饋網(wǎng)絡(luò)使得部分的放大器輸出返回到輸入。圖2-1給出反饋振蕩系統(tǒng)的簡圖。A Vo圖2-1反饋振蕩系統(tǒng)簡圖按照反饋環(huán)的信號流程我們可以得出(2.1)yf = VF( = VnA(F(2.2)因此反饋環(huán)的總的閉環(huán)增益為V= A(jw)F(jw)(2.3)電路要起振，在幅度上，閉環(huán)增益必須是單位1或者更大，這樣電路町以保持振 蕩并且與輸入信號的電壓Vs的大小無關(guān)。即| = |A(|F(| 1(2.4)在相位上環(huán)路還

24、必須滿足(2.5)in在滿足以上幅度條件和相位條件后，振蕩器才能振蕩，我們把它們叫做巴克豪森 準則。例如，在21圖中如果A(jw)是一個反向的放大器，它將產(chǎn)生一個180的相移, 如果反饋F(jw)能夠提供附加的相移使得某頻率卜的輸岀總相位轉(zhuǎn)換為0或者360, 并旦此時的幅度增益也是大丁1的那么就會發(fā)牛振蕩但我們必須認識到.幅度和 相位條件只是必須而不是充分條件，在存在溫度和工藝變化的情況下為了確保振蕩， 我們選擇環(huán)路增益至少兩倍或者三倍所要求的值刃。調(diào)諧振蕩器中最常用的是LC振蕩器，下而以應(yīng)用非常廣泛CMOS交叉耦介LC 振蕩器為例進行分析。振蕩器的環(huán)路及其等效電路如下所示。圖2 3單級等效電

25、路圖2-2交義耦介LC振蕩器可以看到胳個環(huán)路由兩個調(diào)諧增益級首尾級聯(lián)而成，每個增益級是共源級單級放大，其中LC旅蕩冋路構(gòu)成負載。LC振蕩冋路在諧振時可以進行等效轉(zhuǎn)換如圖2-3 所示。其中Cp=c,這樣在頻率11= 1/VW，振蕩回路簡化成了一個簡單的電阻 Rp,也就是振蕩回路的電壓和電流的和位差降為零。考慮振蕩的條件，對丁共源放人 器，柵級輸入和漏級輸出為反向的，即相移為180,兩級級聯(lián)則總相移為360。，滿足 振蕩的相位條件。共源放大器的增益為g尼（乩為跨導(dǎo)），因此環(huán)路的總增益為 （&”心尸。如果（&凡）2 1，那么頻率等于諧振頻率的噪聲就會被M1和M2連續(xù)的放 大，使振蕩漸漸變大，最后得到

26、穩(wěn)定的近用弦的輸出。對丁以上LC結(jié)構(gòu)的LC振蕩器，振蕩頻率等于九sc = 1/（2兀/麗），可以看出它 為電感和電容的兩數(shù)，改變電容或者電感的值就可以實現(xiàn)振蕩頻率的調(diào)節(jié)。對丁單片 集成的振蕩器來說，改變電感值非常困難，我們只能改變儲能電容大小來調(diào)節(jié)振蕩器。 電容値與電床有關(guān)的電容器被稱為“變?nèi)荻O管”。下面是用變?nèi)荻O管替換普通電 容構(gòu)成的壓控交義耦合LC振蕩器。【VDD 1LID2圖2-4斥控LC交義耦合據(jù)蕩器8#對丁變?nèi)荻O管DI、D2, Cj為它們所呈現(xiàn)的電容，它的值為(2.6)其中Vr為反偏控制電壓，Co為Vr為零電壓時的基本電容值，Vd為反偏pn結(jié)的內(nèi)建 電勢，對于硅變?nèi)荻O管嶺嚴O

27、.5O.7V,對砂化稼變?nèi)荻O管嚴1.1 1.2。n為變 容指數(shù)，與PN結(jié)阻擋層形狀有關(guān)，緩變結(jié)n - 0.3 ,突變結(jié)心0.5,超突變結(jié)no分析這種LC振蕩器的調(diào)諧范圍，從表達式可以看到它的調(diào)節(jié)范圍是非常有限的。 因為在低電源電斥下Vr的范由非常有限，所以Cj的變化范由小，因而九比變化范用 也就小。例如對TVd=0.7V, n=0.35的變?nèi)荻O管，如果Vr可以從零變化到2V；那 么 Vr=O,有 Cj=C0 和疔）,對于 Vr=2V,有 Cj=O.62Co 和fsg = 1/（2兀J厶*062C。）= 1力心“n，所以調(diào)節(jié)范毎I近似等于0.27%,13,o再分析它頻率調(diào)節(jié)的線性度，我們把斥

28、控增益定義為： 性發(fā)生退化。在實際應(yīng)用時，為了防止穩(wěn)定性的退化，可以在輸入控制電壓上添加補 償線性的網(wǎng)絡(luò)，從而做到控制電斥和變換頻率的一致性，從而實現(xiàn)頻斥線性。0CO(2.7)即頻率隨控制電床變化的靈敏度。床控增益是衡晴頻用特性線性度的參數(shù)，理想的床控振蕩器其輸出頻率是其輸入電壓的線性函數(shù)，即K（）為一個常數(shù)。對丁以上的LC振蕩器，我們有_ BCj= dCjdV；代入co=i/應(yīng)Z和，我們有（1+細5(2.8)(2.9)nV2厶(1+產(chǎn))%*3(2.10)可以發(fā)現(xiàn)，由于斥控增益Ko是隨Vr和（1的變化而變化的，不是一個常數(shù)，所以頻爪特性是非線性的。LC振蕩器在應(yīng)用丁鎖相環(huán)時，這種非線性會使鎖相

29、環(huán)的穩(wěn)定總體上來說，以LC振蕩器為代表的調(diào)諧壓控振蕩器在無線通訊等島頻場A應(yīng)用廣 泛，比起多諧振蕩器來，它有下述的優(yōu)點(1) 較高的頻率穩(wěn)定度。LC元件Q值高、老化效應(yīng)小和溫度系數(shù)鮫小，具有較高的 K期和短期的頻率穩(wěn)定度。(2) 較高的振蕩頻率。LC的諧振頻率町以做的非常高，同時調(diào)諧振蕩器的頻率受器 件開關(guān)延時的影響較小，采用同樣本征頻率的晶體管，調(diào)諧振蕩器的頻率要比 多諧振蕩的頻率高的多。(3) 較純的頻譜特性。在調(diào)諧振蕩器屮，由J：外接反饋網(wǎng)絡(luò)的選頻特性，輸岀頻譜 中的相位噪聲和抖動噪聲耍小些。在另一方面，調(diào)諧LC振蕩器也有下述一些的缺點：(1) 制造工藝比較復(fù)雜。制造時，無源器件的電感是

30、很難集成在芯片上的，常常需 耍外接，體積較大。雖然現(xiàn)在利用CMOS工藝下可以用金屈螺旋結(jié)構(gòu)實現(xiàn)單片 電感。但這種電感的最大缺陷是與襯底的期合效應(yīng)大，品質(zhì)因數(shù)小，要得到高 品質(zhì)的電感需耍改進工藝。(2) 調(diào)節(jié)范用小。在進行調(diào)頻時，由于器件的參數(shù)受限，中心頻率設(shè)計確定后，不 能再對電感、電容等參數(shù)人幅度的調(diào)節(jié)，可能得到的相對頻偏范圍餃小。(3) 調(diào)節(jié)線性度較差。在調(diào)節(jié)頻率時，控制電壓和頻偏之間的關(guān)系是非線性關(guān)系， 這常常會影響胳個應(yīng)用系統(tǒng)的穩(wěn)定性o2.2多諧壓控振蕩器多諧振蕩器也稱為張馳振蕩器，和由LC諧振頻率決定振蕩頻率的LC振蕩器不同, 多諧振蕩器在兩個暫穩(wěn)態(tài)之間不停轉(zhuǎn)換，并且電路對儲能元件不

31、停的沖放電，這種轉(zhuǎn) 換和充放電是周期性的，周期的長短就決定多諧振蕩器頻率的大小。多諧振蕩器的一 般T作過程為：電路作時沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)之間跳變的電平稱為 門限電平。啟動后，電路處在某暫穩(wěn)定狀態(tài)，電路就會給儲能元件電容充電，當(dāng)電 11容上的電位達到門限電平值時，電路發(fā)生跳變，轉(zhuǎn)換到另一個暫穩(wěn)定狀態(tài)。然后電容 反方向充電，當(dāng)電位達到另一個門限電平時，電路再次發(fā)生跳變，電路返冋原來的暫 穩(wěn)態(tài)，如此循環(huán)不已，形成振蕩。多諧振蕩器在儲能元件上的輸出波形通常是線性或 者指數(shù)規(guī)律變化的鋸齒波，在開關(guān)元件兩端則輸出矩形方波。多諧振蕩器的電路實現(xiàn)形式有許多種，按照充電的方式不同，我們可以簡單的把

32、 它們分成兩大類，RC張馳振蕩器和恒流充放電振蕩器。RC張馳振蕩器是通過電阻對 定時電容進行充放電；恒流充放電振蕩器是用一個恒流源對定時電容進行充放電。在 恒流充放電振蕩器中，因為可以比較簡單的實現(xiàn)對電流的犬小控制，達到調(diào)節(jié)振蕩頻 率的R的，所以設(shè)計壓控振蕩器時，我們常常選用恒流充放電振蕩器的電路結(jié)構(gòu)形式。恒流充放電振蕩器的基本電路結(jié)構(gòu)如卜圖2 5所示。電路由三個功能環(huán)節(jié)構(gòu)成： 儲能元件電容C,具有遲滯環(huán)節(jié)的電平比較器；恒流電源，在這里它是雙向的， 同時為充電和放電的通路，決定這充電和放電的電流的大小。圖2-5恒流充放電振蕩器基木結(jié)構(gòu)在實際的電路設(shè)計時，恒流電源常常設(shè)計成兩路，充電電源和放電電

33、源，它們受 比較器的輸出控制，在一個導(dǎo)通時，另一個截止，如此輪換。當(dāng)充電電源導(dǎo)通時，放 電電源電路關(guān)斷，電流源I對電容C充電，一直充到C上的電壓到達比較器的上門限 電斥為止。然后比較器改變狀態(tài)，關(guān)斷充電電路，電容進入放電作狀態(tài)，通過放電 電路放電。放電過程fi持續(xù)到電容C上的電壓到達比較器的下門限電壓，此時比較 器再一次改變狀態(tài)，使充電電路導(dǎo)通。在榕個周期中，充電時間和放電時間是相等的, 我們把上門限電斥和卜門限電斥之間的電位差記為遲滯電壓U，振蕩器的振蕩頻率為12(2.11)T 2U,C恒流充放電振蕩器中的電平比較器有非常多的電路形式，不僅町以使用施密特比 較器或者SR鎖存器來驅(qū)動電容，還可

34、以使用差分全對稱的電路結(jié)構(gòu)，使得輸出的信 號具有更高的穩(wěn)定性。射極耦介多諧振蕩器就是這樣一種應(yīng)用非常廣泛的單片集成恒 流充放電振蕩電路。卜，面討論如何用它來實現(xiàn)斥控振蕩器的14150射極耦介振蕩器主耍部分是由電容兩端連接在兩個交叉耦介的晶體管的發(fā)射極 構(gòu)成。圖2-6為這種振蕩器構(gòu)成的斥控振蕩器的電路結(jié)構(gòu)。這個電路中由Q1和Q2 構(gòu)成的放犬級，通過射極輸出緩沖級Q3和Q4交義耦A(yù)形成深度止反饋。放人管的 負載由電阻R1(R2)與鉗位二極管D1(D2)構(gòu)成。二極管的作用是將電阻兩端電壓擺幅 鉗至等J：PN結(jié)的匸向斥降。Q1和Q2的發(fā)射極由匹配的斥控恒流源所偏置，并通過 定時電容C1相耦合。流過定時

35、電容電流的由這個壓控電流源所決定，即Q7和Q8的 集電極電流?？刂齐姶布佣7和Q8的基極，從而實現(xiàn)對恒流源電流大小的控制， 達到控制振蕩輸出頻率的日的。電路的工作原理可簡述如下：當(dāng)接通電源時，電路兩半部分的器件由丁微小的不 匹配，必有一半導(dǎo)電較強，另一半導(dǎo)電較弱。因為電路屮存在很深的丘反饋，這種不 對稱金演愈烈，最終導(dǎo)致Q1和Q2兩個管子有一個導(dǎo)通，另一個截止?，F(xiàn)假定Q1截 止而Q2導(dǎo)通，Q7和Q8的集電極電流大小相等都為I,那么流過Q2的電流為21,其 中一半經(jīng)過電容C1正向流向Q7、R5支路，另一半流向Q8的集電極。電流I和電阻 R(=R1=R2)按下式表述的關(guān)系選擇2/ * /? VD

36、(2.12)式中Vd為二極管的正向壓降，等丁三極管發(fā)射結(jié)的正向壓降VBEo這一條件保證二 極管D2將Q2集電極的電壓擺幅鉗至Vcc-Vdc在這一條件下，從圖中可以看到， Q4的基極比&低一個二極管的正向床降，而其發(fā)射極，即Q1的皋極，比低兩 個的二極管的正向壓降。略Z Q3的基極電流，則Q3的基極電圧等丁 Vcc，它的發(fā)射 極比&低一個二極管正向斥降，而Q2的發(fā)射極比Vcc低兩個二極管疋向斥降。圖2-6射極耦介斥控振蕩器由J* Q1截止，C1的充電電流I來H Q2的發(fā)射極。這一電流使得Q1發(fā)射極的 節(jié)點電壓VA以斜率I/C1下降，當(dāng)其到達Q1發(fā)射極的電壓比Vcc低三個二極管的正 向斥降時，因為

37、前己說明，Q1棊極處于比Vcc低兩個二極管正向床降，故Q1將轉(zhuǎn)入 導(dǎo)通。Q1導(dǎo)通將使Q3妹極電丿E下降，接看Q2基極電斥下降，從而使Q2電流減小。 電路中心在深度正反饋，最終使Q2截止。當(dāng)Q2截止后，二極管D2上的壓降消失， 這就使得Q1的皋極上升一個二極管的正向斥降。結(jié)果，電路改變狀態(tài)，Q2的發(fā)射結(jié) 加上一個其值等丁Vd的反向電壓，電容C1以反向的恒定電流值I放電。血到Q2的 發(fā)射極電斥下降兩個Vd以前，電路保持這種狀態(tài)。Q2的射極電用下降J兩個Vd時, 13將使Q導(dǎo)通，電路乂回到它原先的狀態(tài)。如此循環(huán)不已，產(chǎn)生振蕩。圖2-7為振蕩器【.作時在兩個暫穩(wěn)態(tài)之間轉(zhuǎn)奐的波形圖，V.和V.、分別為Q

38、1和 Q2的發(fā)射極的電壓。由圖中可以看到，導(dǎo)通管的發(fā)射極電位被鉗位到比電源電壓Vcc 低兩個二極管的正向用降，而截至管的發(fā)射極電床則以I/C1的斜率往負方向變化，每 半個周期的電壓擺幅等于2Vd。VbVcc-VdVcc2VdQ2導(dǎo)通n n n nW Vcc-VdVcc-2VdQl導(dǎo)通n n n r r tVcc-VdV* Vcc-2VdVcc-3VdL5L5圖27射極耦介壓控振蕩器的電壓波形分析振蕩器的振蕩周期，可以看到摞蕩的每半個周期等J：電容C1上所加電用變化2Vd所需的時間A/ =CbAV/I_2C%/I(2.13)L5L5個完整的振蕩周期等丁2A/,因此總的振蕩頻率可以表示為(2.14

39、)可見，振蕩頻率正比丁充電電流II,反比丁定時電容的容暈和電容兩端的電壓擺 幅。A這電充電電流n = f（ym）為輸入電斥的控制西數(shù)，調(diào)節(jié)輸入電用可達到控制振 蕩頻率的冃的。從整體上看，以射極耦合為代表的多諧壓控振蕩器有如下以下的優(yōu)點：（1）振蕩器不需耍電感，制造匸藝比較簡單，可以比較容易在單塊芯片集成。（2）電路結(jié)構(gòu)對稱，能產(chǎn)生對稱的輸出波形（方波或者三角波），在電路兩半部分 匹配很好的情況下，可以使得輸出波形的偶次諧波成分很小。（3）振蕩器有很大的頻率調(diào)節(jié)范閑，控制電斥和輸出頻率可以有很好的線牲關(guān)系， 而且這種線性關(guān)系可以很簡單的實現(xiàn)，只需耍一個有源器件三極管或者MOS 管即可。但相對J-

40、 LC 控揀蕩器，這種斥控振蕩有較差的頻率穩(wěn)定性，振蕩器的振蕩頻 率受器件參數(shù)、溫度以及電源電壓變化等因素的影響較大。任上而的射極耦介振蕩器 中，振蕩頻率反比于二極管的iE向?qū)娪媒礦d，而Vd隨溫度的變化約為一2mV/ C,這就造成振蕩頻率具有很人的正溫度系數(shù)彳竺=-叫 十3300刃m/C o（2.15）fose dT VD dT這對大多數(shù)的應(yīng)用是太大了。我們在下面丈際設(shè)計的用控振蕩器是以上面射極耦合振 蕩器為原型，在電路結(jié)構(gòu)做了較大的改進，解決了溫度漂移問題，極大的提高了頻率 的穩(wěn)定性。2.3壓控振蕩器性能特性及主要參數(shù)了解壓控振蕩器的性能特性對役計圧控振蕩器十分重耍，所耍設(shè)計的壓控振蕩

41、器 將用在鎖相環(huán)電路中，對丁鎖相環(huán)電路中的斥控振蕩器，一般應(yīng)從以下兒個方面的性 能參數(shù)要求來考量?。?）中心頻率；（2）調(diào)諧范|韋1：（3）壓控的線性度；L5（4）壓控增益：（5）輸出振幅；（6）功耗：（7）輸出信號的噪聲；（8）輸出信號電源和溫度的穩(wěn)定性。圖2-8壓控振蕩器理想壓頻曲線圧控振蕩器屈于很典型的模擬集成 電路，和數(shù)字電路棊木只需要在速度和功 耗之間折衷不同，模擬設(shè)計涉及在速度、 功耗、增益、電源電圧等多種因素 間進行折衷。因此設(shè)計尿控振蕩器時并不 耍求各項性能參數(shù)都最優(yōu)，也不心在這樣 的電路使得所有參數(shù)都最優(yōu)，只要使得它 的各項性能滿足它所應(yīng)用的系統(tǒng)的整體耍求就可以了。理想壓控振

42、蕩器的壓頻特性如圖2-8所示,可以看到其輸出頻率為輸入電壓的線性函數(shù)% = 6 十 VCOcont。（21 6）卜面對應(yīng)于壓頻曲線解析壓控振蕩的各項主要性能參數(shù)。（1）中心頻率 中心頻率是指頻率調(diào)節(jié)范圍的中心值，在這里為（+q）/2。我們-般根據(jù)振蕩器所應(yīng)用的位置來設(shè)計它的中心頻率，例如，在一個微處理器的時 鐘產(chǎn)生電路中，可能要求VCO作在系統(tǒng)時鐘頻率下或者共至兩倍。技術(shù)進步和新 的需求使得英尚頻的壓控振蕩器不斷出現(xiàn)，如今的CMOS壓控振蕩器可以島達10GHZ 的中心頻率。（2）調(diào)諧范|韋|調(diào)諧范闌是指振蕩頻率的調(diào)節(jié)變化范閘，在這里即為一 設(shè)計振蕩器它所耍求的調(diào)節(jié)范圍是由兩個參數(shù)支配的，B|J

43、： VCO的中心頻率隨工藝 和溫度的變化悄況，應(yīng)用耍求的頻率范宙I。在一些極端的工藝和溫度變化下CMOS 振蕩器的中心頻率可能變化兩倍，因而要求有足夠?qū)挼恼{(diào)節(jié)范朗以保證VCO的輸出頻率可以達到所要求的值。而且，有些應(yīng)用中，根據(jù)工作模式的要求，包括有一至兩 個數(shù)最級變化的時鐘頻率，這就要求有相應(yīng)寬的調(diào)節(jié)范I韋I。我們-般用相對調(diào)諧范圍來描述調(diào)諧范困，相對調(diào)諧范圍定義為絲沁L（2.17）。 式屮3 L 制電床故低時的般低頻率:3 H控制電壓最高時的最島瀕率：3 01卩心頻率；A 3絕對調(diào)諧范 15, =（dh - a）L o（3）壓控増益壓控增益定義為Kvco = dco/dvconl，它反應(yīng)了振

44、蕩頻率對控制電 丿玉的敏感度，理想的壓控增益為常數(shù)。設(shè)計中，對于給定的噪聲幅度，因為= to0 + KvcoVetml,所以輸出頻率屮的噪聲正比丁你控增益。因而耍使；。皿中的噪 聲效應(yīng)減少到瑕小，VCO的增益必須瑕小，這與所盂的調(diào)節(jié)范用是K接矛屑的。事 實上，如果允許麗范圍從V】到V2 （例如，從0到Vdd）并且調(diào)節(jié)的范圍必須至少 跨越5到32,那么Kvco必須滿足下面的耍求：(2.18)對丁給定的調(diào)節(jié)范1和Kvco隨電源電壓的下降而上升，這使得振蕩器對控制線上的噪 聲更敏感。（4）壓控線性度 對丁理想的壓控振蕩器，壓控增益Kco為常數(shù)，即振蕩器輸 出頻率和控制電床之間是線件的關(guān)系。在實際情況

45、下VCO的調(diào)節(jié)特杵表現(xiàn)出為非線 性的，也就是，其增益Kg。不是常數(shù)。我們用非線性因子來度量這種非線性尸字。（2.19）其中Kl為最低頻率3L時的斥控增益，Kh為繪高頻率3H時的斥控增益。理想斥 控振蕩器的非線性因子U等丁 1, 11偏離1越大，我們說它的非線性就越差。這種非 線性會便得鎖相環(huán)的穩(wěn)定性退化，因此，我們希迥在幣個調(diào)節(jié)范I罰內(nèi)使Kco的變化 最小。實際的振蕩器特性通常在頻率范用的中部為高增益區(qū)，而在兩端為低增益區(qū)。與 理想的頻率特性相比，實際的最大增益耍比預(yù)計的大，這就意味著，對丁給泄的調(diào)節(jié) 范圍，非線性不可避免地在一些區(qū)域?qū)е赂叩撵`敏度。(5) 輸出振幅 對r振蕩器的頻率輸出，需

46、要它的波形有一定的幅度，能達到 大的輸出振幅是再好不過的，這樣使輸出波形對噪聲不敏感。振幅的增加可以通過犧 牲功耗、電源電床其至是調(diào)節(jié)的范用來得到，反之也是。同時，我們要求輸出增幅 整個頻率范陽內(nèi)是恒定的，如果輸出振幅在整個頻率范囤內(nèi)變化，這種情況是不希卑 得到的。(6) 功耗 對模擬集成電路設(shè)計來說，功耗是?？紤]的車耍方面。特別對常用 丁移動設(shè)備的VCO來說，降低功耗十分重耍。采用CMOS工藝對降低振蕩器非常有 好處。設(shè)計中振蕩器要受速度、功耗和噪聲之間的折衷限制，斥控振蕩器典熨的功率 消耗在1到1 OniWo(7) 輸出信號的噪聲 噪聲對丁振蕩器來說有正負兩方面的作用：正的方面，振 蕩器是

47、依靠電路內(nèi)部噪聲激勵產(chǎn)生振蕩的，負的方面，振蕩器進入穩(wěn)定狀態(tài)后，噪聲 成為一個干擾源，產(chǎn)生相位噪聲。通常，只耍電路滿足振蕩條件，不管電路內(nèi)部噪聲的 大小，電路總能起振。所以，減小噪聲負方面的影響成為設(shè)計振蕩器、VCO乃至幣個 信號源系統(tǒng)的關(guān)鍵。由丁-噪聲是遵循某種統(tǒng)計規(guī)律的隨機過程，不可能用確定的時間函數(shù)來描述，而 且至今還沒有一種較好的方法來模擬分析噪聲干擾。電路中的噪聲源可以分為兩類: 器件噪聲和干擾。電阻的熱噪聲、有源器件的閃爍噪聲屬丁前者，電源噪聲與襯底噪 聲加于后者。對丁器件噪聲來說，f耍的是耍設(shè)計采用低噪聲的元件。對丁無源元件，盡可能 用LC元件構(gòu)成振蕩回路來代替RC或RLC振蕩回

48、路，以減少由丁電阻熱噪聲對振 蕩器的影響。對丁有源器件，不同的匚藝，器件的噪聲系數(shù)不同，其中BT (Bipolar Tiansistoi)優(yōu)于 FET (Field Effect Tiansistoij ,MESFET 優(yōu)丁 MOSFET o 如有選擇工藝 的可能，則應(yīng)采用低噪聲有源器件的T藝。另外由于VCO的選頻特性，對于分布較 廣且相對平穩(wěn)的熱噪聲、閃爍噪聲有較好的抑制效果。在特定工藝和工作條件下，柵 面枳是繪方便的可調(diào)參數(shù)，大面積柵及薄柵氧層都有利于改善相位噪聲。對丁由丁環(huán)境干擾來產(chǎn)生的干擾信號來說，干擾信號大多是以單端形式出現(xiàn)在被 干擾的點和空間中的。在集成電路中，差分放大器的輸入端空

49、間上非常靠近，這樣干 擾信號就以共模信號的形式作用r差分電路。而差分式放人電路對共模信號有較好的 抑制作用，所以差分式放大電路可以較好地抑制外加的干擾與噪聲信號，而且差分式 放大電路可以較好地抑制由于溫度變化和電源變化引起的匚作點漂移，并對周圉其他 電路產(chǎn)生較小的電磁干擾，故差分式放人電路成為我們的首選方案。振蕩器是一種非線性電路，它依靠振蕩管的非線性h動達到振幅平衡和相位平 衡。但如果這種非線性十分嚴重，將使振蕩管的電流處脈沖狀態(tài)即電流波形不連續(xù), 而振蕩電壓由丁經(jīng)過環(huán)路選擇，接近丁連續(xù)的正弦波，因此管子的跨導(dǎo)將成為非連續(xù) 的時間函數(shù)跨導(dǎo)除了平均分最及基波分最外，還有高次諧波分量，這將助長噪

50、聲增大, 這種現(xiàn)彖被稱為噪聲跨張效應(yīng)。為了減少非線性的噪聲跨張效應(yīng)，應(yīng)盡可能地減小振 蕩器的非線性程度，最有效的方法是iE確選擇振蕩器的電路形式和匚作狀態(tài)采用共集 電極或共漏極振蕩器，可使它的電流波形接近r輸入電床波形，非線性程度較小，因 而是減小噪聲跨張效應(yīng)的最簡單有效的一種電路形式。（8）輸出信號的穩(wěn)定性 在集成用控振蕩器的設(shè)計中，輸出信號的頻率穩(wěn)定是 必須著巫予以考慮的問題Z。我們應(yīng)盡呈在應(yīng)用條件變化的情況下，保持中心頻率 不發(fā)生漂移。引起頻率漂移的兩個最主耍因素是電源電床變化和溫度的變化。193 VCOS芯片電路設(shè)計3.1 VCOS芯片總體描述木課題所設(shè)計的用控振蕩器主耍是為某通訊公司

51、所做的全定制產(chǎn)品，使用在他們 的程控交換機產(chǎn)品中。在交換機中，此振蕩器不但可以單獨用作時鐘信號頻率源，還 可以作為鎖相環(huán)（PLL）的一部分使用。根據(jù)它的應(yīng)用對彖和應(yīng)用環(huán)境，本壓控振蕩 器要滿足不b0 丁其它振蕩器的技術(shù)要求：（1）超寬的頻率范困 交換機是系列化的產(chǎn)品，使用鋰不同型號的交換機，同 一交換機的不同部件上對振蕩器的中心頻率耍求都不一樣，并且差員很大。為保證通 用性，這就要求設(shè)計的電路能實現(xiàn)從較低頻（兒白K）到較高頻（兒A M）的超寬頻 率范西的變化。（2）信號頻率穩(wěn)定交換機的使用環(huán)境常常很惡劣，溫度變化較大，這就耍求 在振蕩器在較寬的溫度變化范I羽內(nèi)能保持輸出頻率的一致性，以使得交換

52、機安全可靠 的工作。在前面一章我們討論了多種的床控振蕩電路，LC振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性， 可是它是通過改變變?nèi)荻O管的電容來調(diào)節(jié)振蕩的頻率，只有很小的頻率調(diào)節(jié)范圍， 顯然不滿足耍求。射極耦合壓控振蕩器通過對固定電容正反向反復(fù)恒流充放來實現(xiàn)振 蕩，通過對充電電流的衣小進行控制無疑可以實現(xiàn)非常寬頻率范用的信號輸出。但是 正如前而所提到的，由丁它對器件參數(shù)（PN結(jié)電壓）的依賴性，隨著頻率的增加表現(xiàn)出 一個相對較差的溫度穩(wěn)定性，所以在這電也很難苴接適用。為了滿足應(yīng)用的要求，我 們對射極耦介壓控振蕩器進行了優(yōu)化改進，用CMOS電路巫新設(shè)計了恒流充放電振蕩 器。電路的翻轉(zhuǎn)閾值電床不再依賴PN結(jié)的1E向?qū)?/p>

53、通電床，消除了最大的引起頻率溫 度漂移的來源。并且通過優(yōu)化設(shè)計，輸出的振蕩頻率不再K接依賴丁某一個器件的參 數(shù)，而是使單個的影響參數(shù)相互抵消，只體現(xiàn)了器件的比值關(guān)系，這就從根本防止了 I人1為器件參數(shù)的溫度系數(shù)UI起輸岀頻率的漂移，從而具有相對好的溫度穩(wěn)定杵，依據(jù)項目的要求，所設(shè)計的器件在單個芯片上集成了兩個獨立的壓控振蕩器。每 個振蕩器都有外接的電容來建立振蕩。每個振蕩器都有兩個對電斥敏感的輸入端，一 個為頻率范困電壓輸入，一個為頻率控制電壓輸入，這兩個控制端被用來改變輸出頻 率的大小。這一斥控振蕩芯片由5V單電源供電。為了防止振蕩器內(nèi)部核心振蕩電路受周邊 環(huán)境的影響，我們把內(nèi)部電路和周邊電

54、路的電源進行了分開處理，這樣任系統(tǒng)上做到 了有效的隔離。其中一路的電源和地的管腳（VDD和GND）為使能端、同步門、輸 出緩沖電路提供電源，另外 路分離的迫源和地管腳（DVDD和DGND）為振蕩器和 相連接的頻率控制電路供電。為了和應(yīng)用系統(tǒng)的其它部分有很好的兼容，芯片的輸入使能控制和振蕩器經(jīng)緩沖 后的輸出都耍求為標準的TTL邏苗電平（0V為邏輯0,5V為邏輯1）。振蕩器的輸出 應(yīng)該為周期的方波，它的占空比固定為50%o根據(jù)應(yīng)用對所設(shè)計的芯片的具體要求，這一壓控振蕩芯片采用16腳DIP（Dual inline package雙列血插封裝）形式対裝。芯片管腳的頂層的示意圖如圖31所示。VDD DV

55、DD RNG2 CX2 CX2 EN2 0UT2 GND16151413121110AMI- VC0S268FC2 FC1 RNG1CXI CXI EN1 0UT1 DGND圖3-1 VCOS芯片管腳頂視圖管腳的具體描述和定義見下表：表31芯片引腳定義及描述管腳號管腳名輸入/輸出(I/O)功能描述1FC2輸入振蕩器2的頻率控制電壓2FC1輸入振蕩器1的頻率控制電床3RNG1輸入振蕩器1的范用控制4CX1振蕩器1的外接電容的一端5CX1振蕩器1的外接電容的一端6EN1輸入振蕩器1的使能端7OUT1輸出振蕩器1的輸出8DGND內(nèi)部主電路的電源地9GND外圍電路電源地10OUT2輸出振蕩器2的輸出1

56、1EN2輸入振蕩器2的使能端12CX2振蕩器2的外接電容的一端13CX2振蕩器2的外接電容的一端14RNG2輸入振蕩器2的范圍控制15DVDD內(nèi)部主電路的電源16T)D外圍電路的電源其次，根據(jù)所設(shè)計芯片的應(yīng)用具體耍求，我們可以對芯片本巾的電路性能以及與 外部元件相連的接口性能參數(shù)予以定義。這些所需定義的芯片性能參數(shù)及其說明如下 表3-2所示：表3-2芯片性能參數(shù)符號參數(shù)名稱使用條件最小值最大值單位備注VS電源電圧范1韋1-03+5.5VT)D工作電壓4.55.5VW所有管腳的靜態(tài)電流1000VVi輸入管腳的電壓0.37VIlK輸入管腳的電流100100niAV。輸出管腳的電床0.35.5V輸出管腳的電流100100mAVIH使能輸入高電床輸入使能2VVIL使能輸入低電壓輸入使能0.8Vni輸入高電流VDD=DVDD=5.25V ,A5V50U A1U2輸入低電流VDD=DVDD=5.25V,VI=0.5V2mA2IS電