单元四压控振荡器设计.PDF

單元四 壓控振盪器設計 (一)實習題目 以給定之製程實現一個具有下列規格之壓控振盪器設計。 Oscillation Frequency: 2.4～2.5GHz Output Swing 1Vpp Phase Noise – 120dBc/Hz @ 1MHz offset (二)實習目的 1. 了解壓控振盪器之工作原理及重要規格之物理意義。 2. 以所提供之工作站模擬環境實際設計一個壓控振盪器並作電路佈 局、驗證。 3. 熟悉暫態、pss及 phase noise的模擬設定和可能結果。 (三)實習儀器及設備 電路設計以 Unix/Linux 工作站為主；另外若有實際完成之晶片可 量測，則需要有頻譜分析儀。 (四)原理 在現代通訊系統裡，我們常需要在晶片內部產生一個固定頻率的 訊號，作為系統的時脈或混波器中的本地振盪訊號源等用途。我們有 兩種機制可以說明產生一個振盪訊號的原因：其一是回授系統、另一 則是單埠模型。圖 4-1(a)所示是一個常見的正回授電路架構圖，輸入 為 X 經過其中頻慮響應可表示為 H(s)的方塊 (通常為放大器，以提供 需要的迴圈增益) ；輸出則為Y ，且此輸出被拉回與輸入作加總輸入 - 65 - 到 H(s) 方塊而形成正回授。 (a) (b) 圖 4-1 、(a)正回授方塊圖，(b)加入頻率選擇網路之回授系統。 由於此電路為大訊號電路，因此電路內無可避免會有因非線性效 應而產生的許多其他諧波成份。為了提供一個較為純粹頻率成份的輸 出，常在迴路裡加入頻率選擇網路，如此就會形成如圖4-1(b)的架構 方塊圖。圖4-1(a)的方塊圖我們可以推導出其轉移函數為式 (4-1)所示 Y(s) H (s) (4-1) X (s) 1H (s) 在特定的頻率 下，若符合 H (s j  ) 的話，則上式趨近無限大。1 0 0 0 意即就算沒有輸入訊號 X ，也可以有訊號輸出，如此就可以形成振 盪。這個條件我們可以整理成所謂的 Barkhausen’s criteria ： (1) Loop gain   ， (4-2) H j  1 0 (2) 對正回授：   o ，對負回授：   o 。 (4-3) H j  0 H j  180 0 0 在上述兩個條件中有關迴圈增益的式 (4-2) ，說明在穩定振盪時的值為 - 66 - 1 ；但是要達到開始起振的可能，我們通常需要設計此迴圈增益為3 倍以上。如此似乎違背式 (4-2)的要求，因此我們要檢視發生振盪的情 形：雖然上述說明裡提及不用輸入也可以發生振盪，真實的情形是電 路裡無論如何存有雜訊，而一個較高的起始增益會放大雜訊，並回授 使此訊號持續放大。但是當訊號放大到某程度，過大的輸出訊號會使 電路迴圈內的放大器進入飽和區，意即增益會下降到 1 。所以雖然起 振時的增益是比 1 大，但是一但進入穩定振盪後，迴圈的平均增益就 會回到式 (4-2)的情形。 振盪另一個產生的機制可以用下面圖 4-2 來說明︰ 圖 4-2 、振盪器的單埠模型。