低电压环形振荡器设计

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1、第6期江金光等：低电压环形振荡器设计·5·第28卷第6期通　信　学　报Vol.28No.62007年6月JournalonCommunicationsJune2007低电压环形振荡器设计江金光，李天望（武汉大学卫星导航定位技术研究中心，湖北武汉430079）摘要：提出了一种新的两级环形振荡器结构，通过控制PMOS的衬底电压，来降低PMOS管的阈值电压，从而使新的环形振荡器可以在低电压下工作到很高的频率。仿真结果表明，在电源电压为1V，调节电压在0~1V范围内变化时，振荡器的频率为300MHz~4GHz。关键词：低电压；环

2、形振荡器；调节范围中图分类号：TN782文献标识码：A文章编号:1000-436X(2007)06-0062-04DesignoflowvoltageringoscillatorJIANGJin-guang,LITian-wang(GNSSResearchCenter,WuhanUniversity,Wuhan430079,China)Abstract:Anewringoscillatorwasproposed.ToreducethethresholdvoltageofPMOStransistor,atwostageri

3、ngoscillatorwasdesignedbyforwardbiasingthebulkofthePMOStransistor.Simulationresultsshowthatthenewringoscillatorcanworkattheveryhighfrequencywithalowsupplyvoltage,andtheoutputfrequencyoftheproposedringoscillatorcanrangefrom300MHzto4GHzin1Vsupplyvoltage.Keywords:lo

4、wvoltage;ringoscillator;tuningrange第6期江金光等：低电压环形振荡器设计·5·1引言收稿日期：2006-08-25；修回日期：2007-01-26锁相环（PLL）电路是通信电路和高速系统中的重要单元，它用来产生时间基准，它的性能决定了整个系统性能的好坏。压控振荡器是锁相环电路中工作在最高频率的单元，近年来，人们对压控振荡器进行了广泛的研究。在集成电路中实现的压控振荡器主要有两类：LC压控振荡器和环形振荡器。LC压控振荡器通常需要采用片上集成电感，因而占用很大的芯片面积[1,2]。环形振荡

5、器结构简单，易于采用CMOS工艺实现，因而得到了广泛的应用[3,4]。在通常情况下，环形振荡器需要至少三级延迟单元才能起振。在通信电路中，往往需要时钟电路提供正交的时钟信号，如果采用环形振荡器实现，就需要四级延迟单元，这就使振荡器的工作频率受到很大的限制。为了提高振荡器的工作频率，人们采用有源电感[4,5]、在延迟单元中引入负的跨导[6]来设计两级延迟单元的环形振荡器，取得了很好效果，在提高环形振荡器工作频率的同时，其相位噪声特性与LC振荡器接近[6]。随着CMOS工艺技术的发展，芯片的集成度越来越高，栅氧化层的厚度越来

6、越薄，芯片工作电压越来越低，因此，设计1V电源电压工作的电路就显得更重要。LC振荡器由于采用了片上电感，其输出电压可以在电源电压以上，1V的LC振荡器相对来说比较容易[2]。由于电源电压为1V，任何叠加结构都会对振荡器的性能有显著的影响，文献[4,5]采用有源电感，需要电流源提供偏置，使振荡器的基金项目：中国博士后科学基金资助项目；高校博士点基金资助课题FoundationItems:ThePostdoctoralScienceFoundationofChina；TheDoctoralDisciplineSpecialF

7、undofCollegesandUniversitiesofChina第6期江金光等：低电压环形振荡器设计·5·输出幅度受到了很大的限制，因而影响了振荡器的性能。文献[6]在延迟单元中引入负的跨导，但调节频率的器件采用了叠加的方式，其频率调节范围在1V电源电压工作时，受到了很大的限制。本文针对目前的两级环形振荡器存在的缺陷，提出了一种新的环形振荡器结构，通过使PMOS管的衬底正偏，有效地降低了PMOS管的阈值电压，同时，直接将调节加到PMOS管的栅极，大大提高了振荡器的频率调节范围。2新的环形振荡器图1为文献[6]给出的

8、两级延迟单元结构的环形振荡器的示意图。(a)采用两级延迟单元的环形振荡器结构(b)文献[6]所采用的延迟单元图1文献[6]中环形振荡器结构与传统的延迟单元相比，图1所采用的延迟单元引入了负的跨导，即PMOS管M5、M6，从而使采用两级延迟单元的环形振荡器能够起振。由于采用的延迟单元级数只有两级，因而可以工作在较高的频