DSP內嵌PLL中的CMOS壓控環形振蕩器設計

　　1 引言

　　在現代高性能DSP芯片設計中，鎖相環(PLL)被廣泛用作片內時鐘發生器，實現相位同步及時鐘倍頻。壓控振蕩器(VCO)作為PLL電路的關鍵模塊，其性能將直接決定PLL的整體工作質量。目前，在CMOS工藝中實現的VCO主要有兩大類：LC壓控振蕩器和環形壓控振蕩器。其中LC壓控振蕩器具有較低的相位噪聲和較低的功耗，但需要采用片上集成電感，因而占用很大的芯片面積，且調諧范圍較小。而CMOS環形振蕩器有著頻率調節范圍大，芯片面積小，制造工藝簡單等優點，且可以通過調整振蕩器的級數，方便的獲得不同相位的一系列時鐘，因此在系統芯片(SOC)中有著更為廣泛的應用。

　　本文提出了一種采用四級延遲單元的CMOS環形壓控振蕩器，每級采用調節電流源大小，改變電容放電速度的方式，在方便的提供正交輸出時鐘的同時，具有2MHz至90MHz頻率調節范圍以及較低的功耗，可滿足DSP芯片時鐘系統的應用要求。

　　2 VCO電路設計

　　在鎖相環系統中VCO的作用是根據不同的控制電壓．輸出相應振蕩頻率的波形，并將其輸入至分頻器，從而反饋到輸入端。因此理想的VCO其特性函數應為：

　　其中Kvco為常數，表示電路的靈敏度。而實際的VCO調節特性表現出非線性，也就是Kvco不是常數，這種非線性使鎖相環的穩定性退化，因此我們希望在盡可能寬的頻率調節范圍內Kvco的變化最小。

　　2．1 整體電路結構

　　壓控環形振蕩電路的整體結構框圖如圖1所示，整個環路由四級延遲單元構成，每級延遲為TD，其中前三級電路接成反相的，最后一級電路正相連接，因此電路不會被鎖定，且每級振蕩電路的輸出時鐘相移為45°。

圖1 壓控環形振蕩器的整體結構框圖

　　這里，V是電荷泵的輸出電壓經低通環路濾波器去除高頻成分后的直流分量，用來控制每級延遲單元的延遲時間。Venable是來自外部控制電路的使能信號，當Venable為低電平時每級差分輸出的兩端均為“0”，此時整個VCO電路關閉，停止振蕩；當Venable為高電平，電路正常工作時，環路在連續的電壓結點之閘以的延遲振蕩，產生的振蕩周期為8TD。只要在輸入電壓和延遲時間TD之問建立起線形的關系，輸出信號的頻率F∝1/TD，就能夠實現VCO所需的輸入電壓和輸出頻率之間的線性關系。

　　2．2單元電路設計

　　振蕩器延遲單元的電路結構如圖2所示，電路采用RS觸發結構來產生差分輸出的信號，這在消除靜態功耗的同時，具有較好的抗噪聲性能。圖中的M1管和M4管分別提供對電容C1和C2充電時的電流。M2管和M5管作為電流源提供電容放電時的電流，其電流大小隨控制電壓V而改變，從而實現對電容放電速度的調節。另外，電容C1和C2是用源漏端接地的NMOS管制成的MOS柵氧電容，具有很高的單位面積電容值，以及較好的精度。

圖2 延遲單元電路圖

　　下面計算單元電路的延遲時間，以C1為例，當輸入為高電平時，電路通過電流源M2管對電容放電，當電容兩端電壓降至輸入與非門NAND1的翻轉點Vs時，與非門輸出狀態轉換，其狀態從“0”到“1”的轉換時間為：

　　這里由于C1電容遠大于M1、M2管的漏端電容和與非門NAND1的輸入電容之和，因此可忽略它們的影響，Id2為V受控制的電流源M2管的電流。

　　當輸人為低電平時，電路通過M1管對電容進行充電。當電容充電至三輸入與非門NAND1的翻轉點Vs時，與非門輸出并不立即改變，因為交叉耦合的另一個與非門NAND2的輸出仍為低電平，需C2電容放電至Vs以下，輸出才會改變。因此與非門NAND1的輸出從“1”到“0”轉換的時問由電容C2的放電時間決定，為：

　　其中Id5為受V控制的電流源M5管的電流。

　　為了保證每級單元電路的差分輸出端有相同的延遲，電路中各個對應的晶體管具有相同的寬長比，即C1與C2相等，Id2與Id5相等，因此t1=t2，且因為C1、C2的電容值較大，相對于其充放電的時間，三輸入與非門和反向器的延遲時間可以忽略不計，? 因此，單元電路總的延時時間為：

　　設計時三輸入與非門的翻轉點Vs是一個需考慮的問題。為了避免隨著控制電流的增大，控制管在電容放電過程中進入線性區，導致壓控振蕩器的線性覆蓋頻率范圍減少，Vs的值應盡可能的大。但是如果翻轉點Vs過高，會使電容放電時間變短，當Vs接近Vdd時，三輸入與非門和反向器的延遲時間不再可以忽略，此時振蕩器的頻率調節范圍將大大減少。綜合以上兩方面，另外考慮到噪聲容限、速度、面積等因素，這里設計的三輸入與非門的翻轉點Vs為2．6V。

　　3 仿真結果與分析

　　根據以上分析，采用SMIC的0.35斗μmCMOS工藝模型進行仿真，圖4為控制電壓為2V時VCO的X1端的輸出波形圖。另外，由于采用的是四級環形振蕩器結構，可以方便的產生正交時鐘信號，其中X1端的輸出波形與X3端正交，X2端的輸出波形與X4端正交。圖5為當VCO的控制電壓在0.9V~3.5V變化時輸出頻率的變化圖，從圖中可以看到VCO的頻率調節范圍達到2MHz~90MHz．在中心頻率46MHz附近有很好的調節線性度。當控制電壓高于3V以后，頻率變化呈一定的非線性，這是因為隨著控制電壓的增大，在電容放電過程中，控制管會進入線性區，導致控制電壓對電流源變化的影響減小。但由于本文設計的VCO應用于DSP芯片的典型運行頻率為40MHz，因此VCO在中心頻率附近的高線性度可完全滿足DSP時鐘系統的要求。

圖5環形壓控振蕩器的電壓一頻率特性曲線

　　4 結論

　　本文設計了一種應用于DSP內嵌鎖相環的低功耗、高線性CM0S壓控環形振蕩器。電路采用四級延遲單元能方便的獲得正交輸出時鐘，每級采用RS觸發結構來產生差分輸出信號，在有效降低靜態功耗的同時．具有較好的抗噪聲能力。在延遲單元的設計時。綜合考慮了電壓控制的頻率范圍以及調節線性度，選擇了合適的翻轉點。 仿真結果表明．電路叮實現2MHz至90MHz的頻率調節范圍，在中心頻率附近具有很高的調節線性度，可完全滿足DSP芯片時鐘系統的要求。

　　本文作者創新點：本文作者設計的CMOS壓控環形振蕩器電路采用四級延遲單元能方便的獲得正交輸出時鐘．每級采用RS觸發結構來產生差分輸出信號，在有效降低靜態功耗的同時，具有較好的抗噪聲能力。在延遲單元的設計時。綜合考慮了電壓控制的頻率范圍以及調節線性度，選擇了合適的翻轉點。