VCO(压控振荡器)
38页1、6.776 高速通信电路与系统高速通信电路与系统 第14讲 压控振荡器( 第14讲 压控振荡器(VCO) 麻省理工学院麻省理工学院 2005年年3月月29日日 麻省理工学院开放式课件 版权所有:版权所有:Copyright 2005 M.H. Perrott 翻译:西安交通大学 微电子学系 张鸿翻译:西安交通大学 微电子学系 张鸿 H.-S. Lee & M.H.Perrott MIT OCW 窄带无线系统中的VCO设计 ?设计问题: 调节范围需要覆盖所有频率信道 噪声影响接收机的灵敏度性能 功耗需要低功耗 隔离需要使进入VCO的噪声最小化 对工艺/温度变化的敏感性在量产时需要可制造性 来自天线和带 通滤波器 PCB走线 封装 接口 混频器IF输出 RF输入 输出至 滤波器 本振(LO) 信号 参考 频率 频率 综合器 H.-S. Lee & M.H.Perrott MIT OCW 宽带高速数据链路中的VCO设计 ?设计问题: 与无线相同,但是: 噪声性能要求通常更低 调节范围通常更窄 来自 宽带发射机 PCB走线 封装 接口 时钟数 据恢复 输入 数据 鉴 相器 数据 输入 环路 滤
2、波器Clk 输出 数据输出 H.-S. Lee & M.H.Perrott MIT OCW 常见的VCO结构 ?LC振荡器:相噪声低,面积大 ?环形振荡器:易于集成,相噪声高 LC振荡器 环形振荡器 VCO放大器 H.-S. Lee & M.H.Perrott MIT OCW 产生振荡的巴克豪森准则 ?闭环传输函数 ?如果满足以下条件,就 可在o频率处产生自我 维持的振荡 总共为两个条件 ?在频率o处,增益=1 ?在频率处,相位=n360度(n=0, 1, 2, ) 巴克豪森准则 H.-S. Lee & M.H.Perrott MIT OCW 例1:环形振荡器 ?反相器的饱和特性使增益被设为1 ?用奇数级以防止出现稳定的直流工作点 ?振荡频率处,相位等于360度(反相产 生180度,另外的180度由门延时产生) 假定总共有N级,每一级相移为 或者,总共有级,每一级延时为t H.-S. Lee & M.H.Perrott MIT OCW 关于环形振荡器的更多信息 ?由于环形振荡器的相噪声性能相对较差,所以很少用 于RF系统 它们经常用在高速数据链路中 本讲中,我们的重点是LC振荡器 ?关
3、于CMOS环形振荡器的一些有用信息 Maneatiset. al., “Precise Delay Generation Using Coupled Oscillators”, JSSC, Dec 1993 (延迟单元的介绍请查阅 127-128 页) -Todd Weigandt的博士论文 http:/kabuki.eecs.berkeley.edu/weigandt/ H.-S. Lee & M.H.Perrott MIT OCW 例2:基于谐振器的振荡器 ?频率o处的巴克豪准则 ?假定Gm为纯实数,Z(jo)也必须为纯实数 H.-S. Lee & M.H.Perrott MIT OCW 仔细观察基于谐振器的振荡器 ?并联谐振电路在谐振时有: ?谐振处看起来像个电阻(即为纯实数) 相位条件满足 通过使GmRp=1,使幅度条件也满足 H.-S. Lee & M.H.Perrott MIT OCW 不同Gm值的影响 ?根轨迹图使我们可以观察闭环极点的位置与开环极点/ 零点以及开环增益(GmRp)之间的函数关系 当增益(GmRp)增加时,闭环极点移动到S平面的右 半平面 S-平面 增大G
4、mRp 闭环极点 位置的根 轨迹 开环谐振 器的极点和 零点 H.-S. Lee & M.H.Perrott MIT OCW Gm值取的过小带来的影响 ?闭环极点终止在左半S-平面 产生欠阻尼响应 ?振荡逐渐消失 闭环极点 位置的根 轨迹 开环谐振 器的极点和 零点 S-平面 闭环阶跃响应 H.-S. Lee & M.H.Perrott MIT OCW Gm值取的过大带来的影响 ?闭环极点终止在右半S-平面 产生不稳定响应 ?波形不断积累 闭环极点 位置的根 轨迹 开环谐振 器的极点和 零点 S-平面 闭环阶跃响应 H.-S. Lee & M.H.Perrott MIT OCW 将Gm恰好设为正确值 ?闭环极点终止在j轴上 振荡得以维持 ?问题需要使GmRp精确地等于1 实际中,我们如何实现? 闭环极点 位置的根 轨迹 开环谐振 器的极点和 零点 S-平面 闭环阶跃响应 H.-S. Lee & M.H.Perrott MIT OCW 幅度反馈环路 ?一种思路是检测振荡器幅值,然后调整Gm使其为所需 的值 通过负反馈,我们可精确地实现GmRp=1 ?问题: 结构复杂、功耗增加并且引入噪声
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