CMOS振蕩器設計

1 引言

　　　集成電路是采用半導體制作工藝，在一塊較小的單晶硅片上制作上許多晶體管及電阻器、電容器等元器件，并按照多層布線或遂道布線的方法將元器件組合成完整的電子電路。一個典型的數字鎖相環結構如圖1 所示，數控振蕩器DCO（Digital-Controlled Oscillator）是其中最關鍵和核心的部分。數控振蕩器DCO 輸出了可變頻率的振蕩波形，決定了整個鎖相環的噪聲性能和功耗。數字時間轉換器從原理上可分為協議轉換器、接口轉換器兩大類。從應用上又可以分光纖轉換器、光電轉換器、視頻轉換器等等。例如視頻轉換器就是一種連接電腦和電視的設備，它可以把電腦上的內容轉換并顯示在電視機上，讓人們可以在電視上學電腦，上網，玩游戲，做商業演示，看股票等等。

圖1 數字鎖相環的基本結構

　　2 電路結構和原理

　　數控振蕩器有多種實現結構，本文設計了一種完全采用靜態CMOS 邏輯電路的DCO結構，該DCO基于由CMOS 反相器構成的環形振蕩器，其電路結構如圖2 所示。

圖2 電路結構圖

　　如圖2 所示，每一級環形振蕩器均是5 個CMOS反相器串聯，并構成閉環負反饋回路，每個反相器的輸出也與下一級環形振蕩器對應的反相器輸出相連。根據巴克豪森準則：振蕩器要產生振蕩，那么環路增益必須大于等于一且總相移有360°。因此環路中進行反相的次數必須是奇數，三個以上的奇數個CMOS 反相器串聯閉環回路，在一個微小的激勵下都能夠產生振蕩。單級環形振蕩器的振蕩頻率由反相器個數和其本征延遲決定，用n 表示反相器個數，tr 表示反相器上升沿延遲，tf 表示反相器下降沿延遲，頻率可以用下式表示為：

　　反相器下降延遲t f 和上升延遲t r 根據下列公式定義，式中Rn、Rp 分別為圖2（b）中反相器PMOS管M0、M1 和NMOS 管M2、M3 的等效電阻，Cout 為反相器輸出電容。

　　設置電路中所有MOSFET的溝道長度都為90nm工藝設計規范的默認值0.1 μ m。因為在常溫下N 溝道中的電子遷移率大約是P 溝道中的空穴遷移率的2~3 倍，因此設置PMOS 管的寬度Wp 是NMOS 管寬度Wn 的2 倍，使反相器中NMOS 管和PMOS 管的等效電阻近似相等，即Rn=Rp，也就使tr=tf。

　　下降延遲t r 和上升延遲t f 相等可以讓環形振蕩器產生對稱性比較好的波形，提高振蕩器的抗噪聲性能。

　　每一級的5 個CMOS 反相器由一個高電平有效的輸入信號控制，同時打開或者關閉，讓DCO 中的環形振蕩器逐級打開或者逐級關閉。當打開的環形振蕩器級數越多，電路中的振蕩電流越強，電路輸出的振蕩頻率就越快。反之，當打開的環形振蕩器級數越少，電路中的振蕩電流減弱，但因為整個DCO中的環形振蕩器總級數是一定的，因此整個DCO 中的等效電容并沒有減少，所以輸出的振蕩頻率就會下降。因此，該數控振蕩器是通過控制打開的環形振蕩器級數，數字化地控制振蕩頻率，在DPLL中需要一個前置的數字環形濾波器提供輸入信號，控制各級振蕩器的打開或關閉。

　　當所有環形振蕩器都打開時，無論該DCO 中總共有多少級環形振蕩器，DCO 輸出的振蕩波形的最大頻率fmax 都為式（1）表示的單個環形振蕩器振蕩頻率。輸出的最小頻率fmin 也就是當只有一級環形振蕩器打開時的DCO 輸出頻率。由此分析，DCO 的增益可以如下式表示，式中N 為電路中總的環形振蕩器級數：

　　由上述分析可見，當該DCO 中具有的總的環形振蕩器級數越多，可以輸出的fmin 越小，KDCO 也越小，也就是每一級環形振蕩器開關，它是最常見的電子元件，功能就是電路的接通和斷開。接通則電流可以通過，反之電流無法通過。在各種電子設備、家用電器中都可以見到開關。

所控制的頻率增減也越小，振蕩器線性度也就越好。