振盪器基本原理

一般分析振盪器的方式約略可分為一、應用負電阻與頻率選擇的觀點。二、

符合巴克豪森準則(Barkhausen criterion)的正回授觀點。

其中巴克豪森準則指出，當：(a)一個放大器與其回授電路的迴路增益等於

該迴路會產生振盪。以下分析依直觀原則分別採用之。

現今CMOS RFIC 電路中常採用的兩種振盪器型式為：LC 共振腔 (LC tank) 振盪器及環形振盪器 (Ring oscillator)。前者有較低的相位雜訊，但其可調頻率範 圍較小；後者有較寬的可調頻率範圍且使用面積小，不過有較高的相位雜訊。

1．LC共振腔振盪器

一般設計壓控振盪器，常使用負阻的概念來消除 LC 共振腔的寄生電阻 (R1)，如圖 23 所示，穩定震盪時，圖 23 中 - R1 = R2，而 LC 共振腔中，電感 串聯寄生電阻的部份，可藉由圖24(a) 的串並聯轉換成並聯的形式後，再與電容 並聯，整體等效成圖24(b) 之簡易型式。

圖23 使用負阻消除 LC 共振腔的寄生電阻示意圖

RS

LS

LP RP

圖24 (a)串並聯轉換 (b) 等效簡易共振腔模型

負阻的產生是利用電晶體交連耦合對( cross-coupled pair )產生正回授，其輸 入阻抗為 in m，圖 即為常見的

用 ，其相位雜訊的結果優於 交連耦合

對。其緣由為閃爍雜訊的成因是通道載子於通道表面的瑕疵發生隨機捕捉

，而電子的運動性優於電洞，更易發生載子捕捉 與釋 大量的進行，所以產生出的雜訊是 以低頻為主。而這個低頻的雜訊被轉換到震盪頻率的過程，可以見 中，從時 間 及 針 對 零 交 點 對 相 位 影 響 分 析 出 的 脈 衝 敏 感 方 程

R = -2 / g 25(a) NMOS 交連耦合對。一般而言，使

PMOS 交連耦合對所製作的 VCO NMOS

(random trapping) (trapping) 放(releasing)的現象。這種隨機運動並非穩定

[3]

(zero-crossing) (Impulse Sensitivity Function, ISF)去了解。

圖25 (a)電晶體交連耦合對 (b)互補式交連耦合對

圖 25(b) 為互補式交連耦合對(complementary cross-coupled pair)，相對於 NMOS 交連耦合對或 PMOS 交連耦合對而言，在相同電流消耗之下，互補式交

換，輸出電壓波形的上升時間(rise-time)及下降時間(fall-time)也更對稱，由於較 奇對稱的波形有更低的雜訊轉角頻率(noise corner frequency) [3]，因此有較低的 相位雜訊。

2．環形振盪器

此類型振盪器工作原理是利用奇數組反相器串接回授(如圖 26 )，或是偶數 級差動放大器最後一級反接回授(如圖 27 )造成振盪，振盪週期由總時間延遲來 決定。如圖26 所示，有奇數個反相器串接，振盪頻率為：

NT

d

f

2

1

0 = ，因此改

變單級延遲時間

T 即可改變振盪頻率，進而達成電壓控制振盪頻率的功能。環

_d 型振盪器的好處在於電路需要的晶片面積較小，且易與鎖相迴路(PLL)電路整 合，因為直流準位相同，故輸出訊號振幅較大(full swing)。其缺點在於主動元件 使用量較多，因此相位雜訊較大。不過在多相位的輸出上，環形振盪器顯得較有 彈性，一個迴圈是360^o，中間每一級的輸出即為振盪頻率的360^o/N 相位。

Td

N組反相器且N為奇數

圖26 基本環型振盪器示意圖

X1 Y1

X2 Y2

X3 Y3

X1 Y1

圖27 四級差動環型振盪器

在文檔中 雙頻帶鏡像抑制混頻器與小型低功率低相位雜訊壓控振盪器設計 (頁 38-42)