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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
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