反相器型VCO的核心是由奇數(shù)個(gè)反相器組成，振蕩頻率由每個(gè)反相器的延時(shí)以及反相器的個(gè)數(shù)決定的。每個(gè)單元的延時(shí)時(shí)間與流過反相器的電流、電壓、工藝有關(guān)。這種結(jié)構(gòu)的VCO優(yōu)點(diǎn)是電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，振蕩頻率可以被設(shè)計(jì)得很高，但是它對(duì)電源或地的噪聲比較敏感，相位抖動(dòng)較大。

差分對(duì)型VCO主要由差分對(duì)延時(shí)構(gòu)成，其環(huán)路構(gòu)成如圖2所示。差分延時(shí)單元由壓控電流源、電阻負(fù)載以及NMOS管構(gòu)成。通過控制壓控電流源的電流控制振蕩頻率。差分對(duì)型VCO的優(yōu)點(diǎn)是差分信號(hào)可以抑制地噪聲或電源噪聲，相位抖動(dòng)較小，缺點(diǎn)是帶寬有限，不適于高頻應(yīng)用。

LC型VCO的特點(diǎn)是：由于LC諧振腔的Q值很高，因而這種類型的VCO的相位噪聲很低，因而常用于對(duì)頻率抖動(dòng)要求非常低的頻率合成器中。并且這種結(jié)構(gòu)的工作頻率只與電感L和電容C有關(guān)，通過減小電感或電容并減小電路的寄生電容可以使得電路工作在很高的工作頻率下。

圖3是常見的負(fù)跨導(dǎo)LC型VCO結(jié)構(gòu)，從MOS管漏端反饋回來的信號(hào)通過另一個(gè)MOS管反饋到該MOS管的源端，假設(shè)MOS管的跨導(dǎo)為gm，則從圖3(a)虛線端向上看的阻抗是-2/gm，這是一個(gè)負(fù)阻，它是由兩個(gè)交叉MOS管正反饋所產(chǎn)生的。通常，如果要使得振蕩器振蕩，這個(gè)負(fù)阻應(yīng)小于或等于LC諧振腔的等效并聯(lián)內(nèi)阻，也就是說MOS管的跨導(dǎo)越大，負(fù)阻越小，電路越容易振蕩。在振蕩情況下，電路的振蕩頻率與L和C有關(guān)，即為，電容C是壓控電容，通過調(diào)節(jié)電壓Vcont可以調(diào)節(jié)電容的大小，從而改變電路的振蕩頻率。圖3(b)，(c)的結(jié)構(gòu)與圖3(a)相似，圖3(a)結(jié)構(gòu)對(duì)電源噪聲的抑制能力較強(qiáng)，圖3(b)結(jié)構(gòu)對(duì)地噪聲的抑制能力較強(qiáng)，圖3(c)兼有前兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，而且只需一個(gè)電感就能實(shí)現(xiàn)，這樣可以減小前兩種結(jié)構(gòu)電感不對(duì)稱造成的電路共模抑制能力降低的問題。相對(duì)于前面兩個(gè)電路，這個(gè)電路也有缺點(diǎn)，即該電路有2個(gè)電流源，因而電源噪聲較大。

圖4是一種差分結(jié)構(gòu)的LC型VCO，假定NMOS與PMOS具有相等的跨導(dǎo)gm，則這種結(jié)構(gòu)的負(fù)阻為～1/gm，比圖3結(jié)構(gòu)的負(fù)阻減小1/2，由于，如果要使得圖4和圖3兩種結(jié)構(gòu)具有相同的負(fù)阻，那么圖4結(jié)構(gòu)所需的電流只有圖3的1/4，因而圖4結(jié)構(gòu)更適于低功耗設(shè)計(jì)。

壓控電容可以由CMOS中的二極管的結(jié)電容來實(shí)現(xiàn)。由于結(jié)電容與二極管兩端的電壓有關(guān)，通過控制這個(gè)電壓就能控制結(jié)電容的大小。LC型VCO的頻率調(diào)節(jié)范圍與壓控電容有關(guān)，通常由于工藝限制，二極管的結(jié)電容變化在50%以內(nèi)，相應(yīng)的VCO的頻率調(diào)節(jié)范圍只有10%左右。因而采用這種結(jié)構(gòu)的環(huán)路的頻率調(diào)節(jié)范圍有限，需要采用其它的輔助方法才能擴(kuò)大頻率的調(diào)節(jié)范圍。頻率鎖定范圍也會(huì)影響VCO的增益，鎖定范圍越大，VCO的增益越大，而VCO增益越高，振蕩器的輸入噪聲就越大，這是因?yàn)樵诳刂齐妷荷嫌袀€(gè)較小的噪聲干擾就會(huì)引起較大的VCO頻率變化，因而VCO的調(diào)節(jié)范圍和相位噪聲間要折中確定。

3 低噪聲低功耗壓控振蕩器設(shè)計(jì)

圖5設(shè)計(jì)的是圖4所示結(jié)構(gòu)的一種全差分結(jié)構(gòu)的LC型壓控振蕩器，獲得了較高的電源噪聲和襯底噪聲抑制能力，且所需電流較小。其中子電路vco_var_cap為壓控電容陣列，可以通過控制GAIN<3：0>來控制壓控電容導(dǎo)通的個(gè)數(shù)，從而選擇合適的VCO增益和工作頻率。

圖6為該種LC型壓控振蕩器的控制電壓掃描曲線，其中圖6(a)為輸出頻率與控制電壓間的關(guān)系曲線，從圖中可以看出，當(dāng)控制電壓從0V變?yōu)?V時(shí)，輸出頻率從2.06GHz變?yōu)?.98GHz。圖6(b)為壓控振蕩器增益隨控制電壓變化的關(guān)系曲線，控制電壓在0～2V之間，壓控振蕩器的最大增益為2π×50MHz/V，最小增益為2π×20MHz/V，所設(shè)計(jì)頻率綜合在這個(gè)壓控振蕩器增益變化的范圍內(nèi)是穩(wěn)定的，因而可以認(rèn)為壓控振蕩器的工作范圍為1.98～2.06GHz。

圖7為此壓控振蕩器的瞬態(tài)仿真波形，從圖中可以看出，振蕩器從未振蕩到振蕩大慨在100ns，振蕩穩(wěn)定時(shí)間與振蕩器的負(fù)阻有關(guān)，負(fù)阻越小，環(huán)路的正反饋能力就越強(qiáng)，達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間就越小。

4 結(jié)語