射頻微電子書中,主要講了兩種振蕩器結構,分別為交叉耦合振蕩器和三點式振蕩器。
交叉耦合振蕩器
交叉耦合振蕩器,是RF芯片設計的主流選擇。
一個放大器,配上LC調諧,就可以形成一個振蕩器。
如下圖所示。
其中C1代表在輸出端看到的電容,Rp代表LC諧振器的等效并聯(lián)電阻。
可以通過以下三個步驟,對以上電路進行直觀分析。
step1: 低頻時,電感占主導地位,因此
從上述等式可知,|Vout/Vin|很小,且ang(Vout/Vin)接近-90度。
step2:諧振時,Rp占主導作用,因此
此時ang(Vout/Vin)=-180度。
step3:高頻時,電容占主導作用,因此
此時ang(Vout/Vin)接近90度,即-270度。
綜合上面的步驟,可粗略地畫出上圖對應的頻率響應。
那如果把上面電路的輸出和輸入連接,會振蕩么?
答案是不會。從上面?zhèn)鬏敽瘮?shù)的相位圖可知,電路的相移在諧振處的相移為-180度,最大的相移也是在-270度,而沒有達到360度(因為上述電路將vout連接到vin,是正反饋)。
那怎么才能產生振蕩呢?
上面的電路,在相移為-180度時,增益為,足夠大。如果再級聯(lián)一個一模一樣的電路,那么相位在諧振的時候,就能達到180+180=360度,同時環(huán)路具有足夠的增益,此時就滿足振蕩條件了。
對上述電路重新畫一下,就變成下圖所示。
但是上面形式的交叉耦合振蕩器,偏置電流會受電子遷移率,溫度,Vth以及供電電壓VDD的影響。
考慮到VX和VY為差分信號,如果M1和M2與尾電流源相連,他們可以作為差分對運行。此時,M1和M2的偏置電流就為ISS/2,主要取決于尾電流源,穩(wěn)定多了。
但是由于CDB(漏極與襯底之間的電容)的存在,即使尾電流源完全理想,振蕩器的頻率也會隨著VDD的變化而變化。
因為VDD變化,會導致CDB的容值發(fā)生變化,從而是振蕩頻率發(fā)生變化。
三點式振蕩器
對上圖(a)進行分析,可知:
即(a)電路可以等效為C1,C2和一負阻的級聯(lián)。
圖(a)中提供了負阻和電容,將其連接一有耗電感,即可形成振蕩器。
上述電路中,并沒有指明哪一個節(jié)點與GND連接。
將MOS管的三個端口分別與GND連接,得到三個不同的拓撲結構。
三點式振蕩器的起振,對電感的Q值有較高的要求,也就是說如果電感的Q值不夠高的話,振蕩器可能不起振。
另外,上述的三點式振蕩器輸出的是單端信號。
可以將兩個相同的三點式振蕩器連接在一起,如下圖所示,也可產生差分輸出。
三點式振蕩器通過兩個相同的電路連接,可以產生差分振蕩信號,不過它的起振條件相比于交叉耦合振蕩器來說,相對嚴格。
另外尾電流I1和I2的噪聲也會對振蕩信號產生影響。