射频微电子书中,主要讲了两种振荡器结构,分别为交叉耦合振荡器和三点式振荡器。

交叉耦合振荡器

交叉耦合振荡器,是RF芯片设计的主流选择。

一个放大器,配上LC调谐,就可以形成一个振荡器。

如下图所示。

其中C1代表在输出端看到的电容,Rp代表LC谐振器的等效并联电阻。

可以通过以下三个步骤,对以上电路进行直观分析。

step1: 低频时,电感占主导地位,因此

从上述等式可知,|Vout/Vin|很小,且ang(Vout/Vin)接近-90度。

step2:谐振时,Rp占主导作用,因此

此时ang(Vout/Vin)=-180度。

step3:高频时,电容占主导作用,因此

此时ang(Vout/Vin)接近90度,即-270度。

综合上面的步骤,可粗略地画出上图对应的频率响应。

那如果把上面电路的输出和输入连接,会振荡么?

答案是不会。从上面传输函数的相位图可知,电路的相移在谐振处的相移为-180度,最大的相移也是在-270度,而没有达到360度(因为上述电路将vout连接到vin,是正反馈)。

那怎么才能产生振荡呢?

上面的电路,在相移为-180度时,增益为

,足够大。如果再级联一个一模一样的电路,那么相位在谐振的时候,就能达到180+180=360度,同时环路具有足够的增益,此时就满足振荡条件了。

对上述电路重新画一下,就变成下图所示。

但是上面形式的交叉耦合振荡器,偏置电流会受电子迁移率,温度,Vth以及供电电压VDD的影响。

考虑到VX和VY为差分信号,如果M1和M2与尾电流源相连,他们可以作为差分对运行。此时,M1和M2的偏置电流就为ISS/2,主要取决于尾电流源,稳定多了。

但是由于CDB(漏极与衬底之间的电容)的存在,即使尾电流源完全理想,振荡器的频率也会随着VDD的变化而变化。

因为VDD变化,会导致CDB的容值发生变化,从而是振荡频率发生变化。

 三点式振荡器

对上图(a)进行分析,可知:

即(a)电路可以等效为C1,C2和一负阻的级联。

图(a)中提供了负阻和电容,将其连接一有耗电感,即可形成振荡器。

上述电路中,并没有指明哪一个节点与GND连接。

将MOS管的三个端口分别与GND连接,得到三个不同的拓扑结构。

三点式振荡器的起振,对电感的Q值有较高的要求,也就是说如果电感的Q值不够高的话,振荡器可能不起振。

另外,上述的三点式振荡器输出的是单端信号。

可以将两个相同的三点式振荡器连接在一起,如下图所示,也可产生差分输出。

三点式振荡器通过两个相同的电路连接,可以产生差分振荡信号,不过它的起振条件相比于交叉耦合振荡器来说,相对严格。

另外尾电流I1和I2的噪声也会对振荡信号产生影响。