现代无线通讯技术的蓬勃发展 使射频收发机的设计在性能 成本以及功耗上的要求越来越高 尤其是随着 CMOS 工艺的特征尺寸进入到深亚微米和超深亚微米阶段 传统的压控振荡器已无法满足射频收发机的高性能要求 而近年来 数字射频的思路已越来越多的应用于无线通讯领域 它利用了深亚微米 CMOS 工艺下数字电路相比于模拟电路存在较快的晶体管翻转速度 更精细的晶体管尺寸控制以及更高的电路集成度等独特优势 采用数字方法来实现传统射频电路的功能 本文将详细介绍应用于无线收发系统的数控振荡器的设计方法以及其性能上的优点

1 全数控振荡器的概念所谓数控振荡器其实就是一个从数字到频率的转换器 Digital-To-Frequency Conversion DFC [1]即通过输入一组数字频率控制字 FCW 来控制和改变振荡器的输出信号频率 用数学公式表示即为f0=f(FCW) (1)

因为 LC 谐振回路本身具有带通滤波的特性 因而技术上遍及选用数控 LC 振动器 在 DCO 中咱们选用数控 MOS 变容管阵列来进行频率的调理 且 DCO 中的 MOS 变容管工作在电容-电压曲线上十分平整的两个区域 分别是强反型高电容区和耗尽型低电容区 在这两个区域内 电容管的电容值随操控电压的改变不明显 因而 对于叠加在操控电压上的各种电路噪声也不敏感 DCO 输出信号中的相位噪声比较低[2]

在 LC 谐振回路中 振动信号的频率由下式决议

在 DCO 中 我们将总电容分成了 N 份独立的数控变容管 而总电感保持不变 式 2 变成

我们可以得到 DCO 的电路结构图如图 1 所示 图中的 负阻电路是负责补充维持 LC 回路振荡所需的能量 通常由连接成正反馈形式的有源放大器实现

2 数控变容管

DCO 中的数控变容管一般由两个连接成差分形式的相同尺寸的PMOS 或 NMOS 管组成 如图 2 所示 由于 PMOS 处于单独的 N 阱中

受衬底噪声的影响较小 因此工艺上一般采用 PMOS 变容管 根据数字控制字 dk 的值

在差分变容管的源极 漏极和衬底上产生相应的控制电压 Vhign 或者 Vlow 使变容管工作在

高电容区或低电容区 图中的缓冲器除了用于建立使 MOS 变容管工作在高 低电容区所

需的控制电压外 还起到隔离来自数字电路的耦合噪声的作用

实际应用过程中 工作在耗尽型低电容区的变容管很容易进入累积区 而累积区的

电容值会升高 为了防止这一现象的发生 我们可以将 PMOS 变容管对的衬底接到电源

电压上 形成反型数控 PMOS 变容管 这样在很大范围内 Vg 都不会大于 Vb 管子不会进入累积区[3]

经过上述分析 可知变容管阵列中的电容可以根据各自对应的数字控制字分别工作

在高电容状态 Chigh,k 和低电容状态 Clow,k 高低电容状态下的电容差值可表示为

ΔCk=Chigh,k-Clow,k

Ck 就是第 k 个数控变容管在数字控制字 dk 下的有效变容值 也即

Ck=Clow,k+dk· ΔCk

因此式 3 变成

当 d0,d1,d2 dn-1 按照二进制排列时 其中位的数字信号 dn-1 控制电容阵列中 Ck 的电容 Cn-1,依此类推 位的信号d0 控制 Ck 最小的电容 C0 显然 DCO 的调频精度由 C0 决定 对式 6 中的频率 f0 以 C 为变量求导 得到

其中 f0 为 DCO 当前的振荡频率 Ctotal

为谐振回路的总电容值 为了能更精确的调节振荡

频率 在 DCO 中 人们通过高速抖动数控 MOS 变容管的方法可以得到相当于原来八分之一

的最小有效变容值 这样 DCO 频率调节的精度就提高了 8 倍[4]

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