带温度补偿的低功耗cmos环形压控振荡器设计

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1、带温度补偿的低功耗CMOS环形压控振荡器设计李小飞，刘宏，袁圣越，汪明亮，田彤（中国科学院上海微系统与信息技术研究所无线传感网与通信重点实验室，上海200050）摘要：基于UMC65nmCMOS工艺，设计了一款应用于锁相环频率综合器中的带温度补偿的低功耗CMOS环形压控振荡器。环形压控振荡器采用3级交叉耦合延时单元构成。仿真结果表明，压控振荡器输出频率范围为735~845MHz；在温度补偿下，温度变化从-60~100oC时，振荡器输出频率漂移中心频率790MHz±10MHz；当振荡频率为790MHz时，在偏离其中心频率1MHz处，压控振荡器的

2、相位噪声为-99dBc/Hz；1.2V电源供电情况下，压控振荡器的功耗为0.96mOS工艺，设计了一款中心频率为790MHz，同时带温度补偿的低功耗CMOS环形压控振荡器。1电路设计设计的环形压控振荡器的总体结构如图1所示。环形压控振荡器采用3级差分结构，其设计包括以下4个模块，分别是环形压控振荡器延时单元、温度补偿电路、压控端的电压转换钳位电路和后级缓冲整形（Buffer）电路。1.1延迟单元设计环形压控振荡器的延迟单元采用交叉耦合结构，如图2所示，交叉耦合单元左右对称，对称位置的管子尺寸参数完全相同。每个管子的功能如下：MP1和MP6为工

3、艺补偿管，用于补偿由现代CMOS工艺中器件和电路参数随制造工艺偏差所带来的变化；MP2和MP5管用于温度补偿，同时又因为这两个管子是PMOS管，而PMOS管在CMOS工艺中制作在单独的N阱里面，其衬底电位可以独立调节，这里将此管子的衬底端口用于环形振荡器的间接压控端；MP3和MP6管作为交叉耦合管，形成正反馈，加快电平的翻转和管子状态的转换；MN1和MN2管作为信号输入管。由于N级环形压控振荡器的频率可以表示为：式中TD为单级的延迟时间，为上升延迟时间和下降延迟时间之和。延迟时间TD是由电流对节点电容的充放电决定，因此改变充放电电流就可以改变

4、延迟单元的延迟时间，从而改变环形压控振荡器的振荡频率。环振的延迟单元中，MP1，MP2，MP5，MP6四个管子都为电压转换电流管，将其电压变化转换为电流变化，从而调节环形压控振荡器的输出频率。1.2温度补偿电路设计由于环形压控振荡器输出频率对环境温度变化较为敏感，使得在设计环形压控振荡器时必须对其做温度补偿，图3（a）为温度补偿传感电路。电路中PNP管集电极和基极相连，发射级注入10μA的固定电流，发射极电压经过一个射极追随器降压产生电压VT作为温度反馈电压接入环形压控振荡器的温度补偿端口，即MP2和MP5管的栅极。在此端口处并联一个电容C来

5、滤除电路在VT端口产生的部分噪声。1.3电压转换钳位电路设计由于温度补偿管MP2和MP5的源极和衬底形成了一个PN结，假设VPN（on）为PN结的临界导通电压。由于源极接VDD，当衬底电压下降到VDD-VPN(on)以下时，源极和衬底所形成的PN结导通，会有一个大电流流过，这个大电流会导致MOS管发热而烧毁。为避免这种情况的发生，设计了电压转换钳位电路，如图3（b）所示。Vctl定义为环形压控振荡器的压控端口，通过电压转换电路产生Vbias电压，并将其接入MP2和MP4管的衬底端。同时在图3（b）中的连接VDD的PMOS管的源漏极并接一个二极

6、管，用于钳位。由于这个二极管的存在，Vbias点电压满足：使得当压控端口电压Vctl从0变化到VDD时，环形振荡器单元中的MP2和MP5管的源极和衬底形成的PN结将不会导通。1.4缓冲整形电路设计缓冲整形（Buffer）电路由反相器构成，用于对输出波形进行整形。在环形振荡器的延迟单元中，MP3和MP4管作为交叉耦合管，加速了管子的状态转换，同时也导致了压控振荡器的输出波形并非是一个理想的方波。加入Buffer电路后，可以调整振荡电路的输出波形。同时Buffer电路的另一个作用是用于驱动负载做实验测试。图1中，环形压控振荡器为差分输出，为了保证

7、两条差分支路在测试引出端的负载相同，在每一条支路上的引出端都加入一个相同的反相器，如图1中的BF1。由于实际芯片测试时，主要测试的是振荡频率和相位噪声参数，则选择测试差分支路中的一条支路即可。又由于VCO后面的一级反向器的驱动能力不够，需要在测试支路上的BF1后再加入一级或更多级驱动能力更强的反相器。设计中只多加了两级级反相器驱动，如图1中的BF2，其中BF2包含两级反相器驱动。2仿真结果与性能分析与比较运用Cadence软件VirtuosoSpectreRF做了版图设计和电路后仿真。图4为所设计的环形压控振荡器版图，总面积约为0.005mm

8、2。环形压控振荡器主要模块包括3个环形振荡器单元、温度补偿传感电路、电压转换钳位电路和缓冲整形电路中的BF1共消耗0.96mHz的频率漂移，而未补偿（Unpensa