偶数级差分环形振荡器的稳定平衡态分析

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1、第33卷第8期电子与信息学报Vol.33No.82011年8月JournalofElectronics&InformationTechnologyAug.2011偶数级差分环形振荡器的稳定平衡态分析①②*①①②①①张辉杨海钢周发标刘飞高同强①(中国科学院电子学研究所北京100190)②(中国科学院研究生院北京100049)摘要：与具有奇数增益级的差分环形振荡器不同，偶数级振荡器除了具有能够起振的非稳定平衡态，还有可能在起振前处于一种稳定平衡状态从而使电路锁定不能起振。该文主要分析了这种稳定平衡状态存在的原

2、理，同时为了避免振荡器设计中的这种风险，提出了一种振荡器起振电路，使得电路在起振前处于接近非稳定平衡态的状态，从而能够快速起振。在0.13μm1P8M标准CMOS工艺下流片实现的4级差分环形压控振荡器(VCO)及其改进版本很好地验证了该文提出的理论和解决方法。经测试发现，第1款不带起振电路的4级VCO芯片锁定于稳定平衡态，不能起振；两种改进版本3级VCO和带起振电路的4级VCO都能够正常输出振荡信号。关键词：环形振荡器；压控振荡器；起振；偶数级中图分类号：TN432文献标识码：A文章编号：1009-589

3、6(2011)08-1969-06DOI:10.3724/SP.J.1146.2010.01386StableEquilibriumStateAnalysisoftheDifferentialRingOscillatorwithEvenNumberofStages①②①①②①①ZhangHuiYangHai-gangZhouFa-biaoLiuFeiGaoTong-qiang①(InstituteofElectronics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,Ch

4、ina)②(GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)Abstract:Thestart-upconditionsfordifferentialoscillatorwithanevennumberofstagesareanalyzedinthispaper.Comparedwiththosethathaveanoddnumberofstages,suchoscillatorsmayhavetwostableequili

5、briumstatesbesidesanastableequilibriumstateinwhichthecircuitscanstarttooscillate.Toavoidtheriskofpossiblelatchingupintothestablestates,anadditionalstart-upcircuittechniqueisproposed.Theproposedcircuitshouldalsoreducethestart-uptime.Thetheoryisfurtherconfi

6、rmedwiththedesignandfabricationofthreekindsofdifferentialringVoltage-ControlledOscillator(VCO),a3-stageone,4-stageoneswithandwithoutthestart-upcircuitbasedona0.13μmstandardCMOSprocess.Themeasurementresultsshowthatthe3-stageoneandthe4-stageonewiththestart-

7、upcircuithavethecorrectoutputoscillationsignals,butthe4-stagewithoutthestart-upcircuithasnothingtooutput.Keywords:Ringoscillator;Voltage-ControlledOscillator(VCO);Start-up;Even-stage1引言可以有偶数个反相增益级，只需要将其中一级正负[5]端反向连接使其不起到反相的效果即可。N级单端环形振荡器以其低功耗、高集成度以及宽频率振荡器

8、可以输出N个不同相位的振荡信号，而N级调节范围等显著优点越来越成为数字和通信系统中差分振荡器可以产生2N个不同相位的振荡信号，不可或缺的功能模块。特别是压控振荡器(VCO)的所以差分结构的环形振荡器应用更为广泛。电路形式，广泛应用于时钟信号发生器、集成频率但是偶数级的差分振荡器存在处于锁定状态不综合器、时钟恢复电路以及硬盘驱动读取通道[14]−能起振的风险，因为它有可能具有两个不满足起振等。在这些应用领域中，由于低相位噪声及多