应用于无线通讯领域的新型振荡器

摘要：为了解决在深亚微米工艺下模拟射频电路在性能上的各种缺陷，该文论述了一种新型的LC振荡器，即数控振荡器（DCO），采用数字射频的方法来实现无线通讯的技术要求。这种新型的振荡器使用MOS变容管阵列来调节输出频率，通过使用数字Sigma-Delta技术，可以得到更精确的调频精度，而采用三种模式递进的工作方式使这种结构在工艺上更容易实现。

关键词：无线通讯；数控振荡器（DCO）；MOS变容管；调频

中图分类号： TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)16-3947-03

A New Type of Oscillator for Wireless Communications Field

FENG Xia, WU Xiu-long , XUE Pan-dou

(School of Electronics and Information Engineering, Anhui University, Hefei 230601, China)

Abstract: In order to solve the defects in performance for analog RF circuit in deep submicron process, this paper discusses a new kind of LC oscillators , that is Digitally Controlled Oscillator (DCO), which uses digital RF method to achieve the technology requirements of wireless communication . This new type of oscillator uses MOS varactor arrays to moderating the output frequency , through the using of digitally Sigma-Delta technology , we can get more precise resolution , and through using three modes progressively working way can make this kind of structure easily implement in process .

Key words: wireless communication; digitally controlled oscillator (DCO); MOS varactors; frequency moderation

现代无线通讯技术的蓬勃发展，使射频收发机的设计在性能、成本以及功耗上的要求越来越高，尤其是随着CMOS工艺的特征尺寸进入到深亚微米和超深亚微米阶段，传统的压控振荡器已无法满足射频收发机的高性能要求。而近年来，数字射频的思路已越来越多的应用于无线通讯领域，它利用了深亚微米CMOS工艺下数字电路相比于模拟电路存在较快的晶体管翻转速度、更精细的晶体管尺寸控制以及更高的电路集成度等独特优势，采用数字方法来实现传统射频电路的功能。本文将详细介绍应用于无线收发系统的数控振荡器的设计方法以及其性能上的优点。

1 全数控振荡器的概念

所谓数控振荡器其实就是一个从数字到频率的转换器（Digital-To-Frequency Conversion DFC）[1]，即通过输入一组数字频率控制字（FCW）来控制和改变振荡器的输出信号频率，用数学公式表示即为：

f0=f(FCW) (1)

由于LC谐振回路自身具有带通滤波的特性，因此工艺上普遍采用数控LC振荡器。在DCO中我们采用数控MOS变容管阵列来进行频率的调节，且DCO中的MOS变容管工作在电容-电压曲线上非常平坦的两个区域，分别是强反型高电容区和耗尽型低电容区。在这两个区域内，电容管的电容值随控制电压的变化不明显，因此，对于叠加在控制电压上的各种电路噪声也不敏感，DCO输出信号中的相位噪声比较低[2]。

在LC谐振回路中，振荡信号的频率由下式决定：

(2)

在DCO中，我们将总电容分成了N份独立的数控变容管，而总电感保持不变，式（2）变成：

(3)

我们可以得到DCO的电路结构图如图1所示（图中的“负阻电路”是负责补充维持LC回路振荡所需的能量，通常由连接成正反馈形式的有源放大器实现）。

2 数控变容管

DCO中的数控变容管一般由两个连接成差分形式的相同尺寸的PMOS或NMOS管组成，如图2所示（由于PMOS处于单独的N阱中，受衬底噪声的影响较小，因此工艺上一般采用PMOS变容管）。根据数字控制字dk的值，在差分变容管的源极、漏极和衬底上产生相应的控制电压Vhign或者Vlow，使变容管工作在高电容区或低电容区。图中的缓冲器除了用于建立使MOS变容管工作在高、低电容区所需的控制电压外，还起到隔离来自数字电路的耦合噪声的作用。

实际应用过程中，工作在耗尽型低电容区的变容管很容易进入累积区，而累积区的电容值会升高，为了防止这一现象的发生，我们可以将PMOS变容管对的衬底接到电源电压上，形成反型数控PMOS变容管，这样在很大范围内Vg都不会大于Vb，管子不会进入累积区[3]。

经过上述分析，可知变容管阵列中的电容可以根据各自对应的数字控制字分别工作在高电容状态Chigh,k和低电容状态Clow,k，高低电容状态下的电容差值可表示为：

△Ck=Chigh,k-Clow,k（4）

△Ck就是第k个数控变容管在数字控制字dk下的有效变容值，也即：

Ck=Clow,k+dk·△Ck（5）

因此式（3）变成：

（6）

当d0,d1,d2…dn-1按照二进制排列时，其中最高位的数字信号dn-1控制电容阵列中△Ck最大的电容Cn-1,依此类推，最低位的信号d0控制△Ck最小的电容C0。显然，DCO的调频精度由C0决定。对式（6）中的频率f0以C为变量求导，得到：

（7）

其中，f0为DCO当前的振荡频率，Ctotal为谐振回路的总电容值。为了能更精确的调节振荡频率，在DCO中，人们通过高速抖动数控MOS变容管的方法可以得到相当于原来八分之一的最小有效变容值，这样DCO频率调节的精度就提高了8倍[4]。

3 DCO调频的过程

本文讨论的DCO变容管阵列采用二进制权的形式，即如图3所示的模型。

我们通过一个例子来讨论DCO的调频方式，对于一个中心频率为2.4GHz的蓝牙系统，当我们要求它的分辨率为1kHz时，那么至少需要（2.4GHz/1kHz<222）22 比特的动态范围，这在工艺技术上是很难达到的，目前的工艺匹配精度一般只达到了8~9比特，而且超过10比特的精度，工艺上就需要使用很复杂的数字校正技术。为了解决这一问题，我们采用三种模式逐级递进的工作方式，如图4所示，同时相应的变容管阵列也被分为三个部分[5]。

第一步，PVT校准模式，用来校准由于工艺-电压-温度因素造成的很大范围内的频率偏差，而且只需1-2MHz的精度就可以满足PVT校准的要求。这样，8比特的动态范围完全可以胜任。

第二步，ACQ模式，主要目的是使DCO工作在所要求的频道上。使用8比特的调频精度，500kHz左右的调频步长，能覆盖大于100MHz的调频范围。

第三步，捕捉锁定模式，这一步可以得到最高的频率分辨率，不过调频宽度也是最窄的。主要分为整数部分和小数部分两部分调节，其中小数部分通过使用高速抖动的数字Sigma-Delta调制技术能够得到非常高的频率分辨率。

在这种工作模式下，PVT变容管阵列和ACQ变容管阵列都采用二进制权的结构：

（8）

（9）

而捕捉锁定模式需要在很小的频率范围内达到很高的频率分辨率，因此不能使用二进权变容管阵列，因为：1）会有很大的二进制选择噪声；2）不同规格的设备之间的匹配性很低，等等。因此这种模式下使用单位元件变容管阵列的结构：

(10)

值得一提的是，在任何时候，每个模式下的变容管阵列的匹配精度只需满足当前FCW的精度要求即可。这也是为什么只需要8比特的匹配精度就可以得到非常高的频率分辨率。

DCO的这种三种模式递进的工作方式可以用数学方法来表示。DCO在启动或者重置时通过适当的设置dk有一个中心频率或者称为本征频率fc，这种设置一般是让变容管阵列有一半或近似一半处于高电容状态，这样可以使得频率往两个方向都可以有较高的调节范围。中心频率大小为：

(11)

其中Cc是LC振荡器的总电容值。在PVT模式中，DCO通过设定合适的dP控制信号使频率接近我们所要求的值，此时的总电容变为Ctot,p=Cc+△CP，通过这一模式调节后的频率为：

（12）

ACQ模式将以fcP作为中心频率进行进一步的调节，通过设置适当的dA值可以得到新的电容总值为Ctot,A=Cc+△CP+△CA，结果频率为：

（13）

需要注意的是，△CP和△CA既可以是正值，也可以负值。同理，锁定模式将以fcA作为其中心频率进行调频，通过输入适当的dT，使总电容值变为Ctot,T=Cc+△CP+△CA+△CT此模式所得到的频率就是由公式（2）设定的值。

这种模式推进的工作方式包含两个模式选择的过程，这两个过程会将中心频率快速的转换到越来越接近我们所要求的频率的值点上：在PVT模式和ACQ模式结束的时候，它们最终的电容阵列状态将被冻结并开始建立一个新的中心频率（fcP或fcA），在后来的锁定模式中作为计算频率补偿的依据。

采用三种模式递进工作方式的DCO电路结构简图如图5所示。

4 总结

本文论述了应用于现代无线通讯领域的一种新型振荡器的原理以及结构特点，它采用了数字向频率转化的原理，在各方面的使用性能上都相较于传统压控振荡器有很大的改善，将越来越多的应用于无线射频系统。

参考文献：

[1] Staszewski R B.Digital deep-submicron CMOS frequency synthesis for RF wireless applications[D].Dallas:University of Texas,2002.

[2] 王少华.全数控CMOS LC振荡器的研究与设计[D].北京:清华大学,2007.

[3] 王少华,于光明,刘勇攀,等.使用背靠背MOS变容管的低噪声全数控LC振荡器[J].清华大学学报：自然科学版,2008,48(7).

[4] Miller B,Conley R J.A multiple modulator fractional divider[J].IEEE Transactionson Instrumentation and Measurement,1991,40(3):578–583.

[5] Staszew ski R B, Hung C M, Leipold D, et,al.A first multigigahertz digitally controlled oscillator for wireless applications[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2003,51(11):2154-2164.

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