摘要：提高壓控振蕩器(VCO)的頻率穩定度和噪聲抑制能力，是基于反饋控制原理與GPS馴服校頻技術頻標產生電路獲得高穩定度、高準確率的標準頻率信號的關鍵。綜合差分對型VCO，LC型VCO的優點，研究壓控振蕩器的噪聲與頻率調節范圍及穩定時間的關系，設計一種全差分結構的LC型壓控振蕩器(使用COMS電容陣列作LC元件)，具有較高的電源噪聲和襯底噪聲抑制能力。仿真結果表明，該壓控振蕩器的頻率穩定時間短，準確度鎖定在GPS標準的準確度上。
目前，隨著科學技術的發展，時頻測量對時間頻率的準確度、穩定度等技術指標的測試要求越來越高，現在許多電子儀器內部已經采用了銣鐘時基。如果仍使用過去的銣原子頻率標準或晶體振蕩電路頻率作為計量測試標準，那么，計量測試頻率準確度的要求將無法得到保證。而基于GPS校頻的高精度寬帶頻率測量技術，為經濟、便捷的高精度寬帶頻率測量提供了一個技術支持和解決方案。該方案的要點是通過GPS信息中的1pps(秒脈沖)精確定時信號，利用時間間隔測量技術，與本地頻標的分頻信號進行比對，生成誤差控制電壓，對壓控振蕩器頻率進行準確控制與調節，極大地提高振蕩頻率的精度與穩定性。其中壓控振蕩器是該環路中的重要部分，它的穩定性和頻率調節范圍在很大程度上決定了系統的穩定性及精度。因此對壓控振蕩器的研究與設計是本方案的關鍵環節之一。本文首先簡介了基于反饋控制原理與GPS馴服校頻技術，獲得高穩定度、高準確率標準頻率信號的基本原理及電路組成，然后重點分析各類壓控振蕩器的噪聲與頻率調節范圍及穩定時間的關系，設計了一款指標優化的壓控振蕩器。
1 基于反饋控制原理與GPS馴服校頻技術頻標產生電路的基本原理
基于GPS校頻的高精度寬帶測頻技術關鍵是通過GPS定時信號控制振蕩器產生高穩定度和高準確率的標準頻率信號，圖1是一個基于反饋控制原理與GPS馴服校頻技術的標準頻率產生電路。
它是一個閉環反饋控制系統，主要由GPS接收器、時間間隔測量環節、數據控制與處理環節、誤差控制電壓產生環節、壓控振蕩器(VCO)、分頻器等5部分組成。GPS接收器接收衛星信號產生的1pps信號，利用該信號采用高精度時間間隔測量技術，將其與本地頻標的分頻信號進行比較，按照相位差的變化速率計算出相對頻差，形成誤差控制電壓，反饋到本地壓控振蕩器，調節振蕩器輸出信號頻率直至分頻輸出頻率與GPS秒脈沖頻率相等時，誤差控制電壓接近于零，系統最終處于平衡狀態，從而實現對輸入信號(GPS)的跟蹤和鎖定。把本地頻標的準確度鎖定在GPS標準的準確度上，從而實現對高穩定晶體振蕩頻率的馴服和調節，提高頻標振蕩器的精確度和穩定性。
2 壓控振蕩器的特點分析
基于反饋控制原理與GPS馴服校頻技術頻標產生電路的精確度和穩定性主要取決于環路中的壓控振蕩器。壓控振蕩器(VCO)是一個電壓一頻率轉換電路，在環路中作為被控振蕩器，它的輸出頻率應隨控制電壓線性地變化，一個理想的壓控振蕩器其輸出頻率和輸入頻率的關系有：
式中：KVCO為壓控振蕩器的增益。在實際應用中，壓控振蕩器的線性范圍有限，超出這個范圍之后，環路的參數就會變化較大，不利于環路設計。通常評價VCO的好壞主要有以下指標：
(1)低抖動或低相位噪聲：由于電路結構、電源噪聲以及地噪聲等因素的影響，VCO的輸出信號并不是一個理想的方波或正弦波，其輸出信號存在一定的抖動，轉換成頻域后可以看出信號中心頻率附近也會有較大的能量分布，即是所謂的相位噪聲。VCO輸出信號的抖動直接影響其他電路的設計，通常希望VCO的抖動越小越好。
(2)寬調頻范圍：VCO的調節范圍直接影響著整個系統的頻率調節范圍，通常隨著工藝偏差、溫度以及電源電壓的變化，VCO的鎖定范圍也會隨著變化，因此要求VCO有足夠寬的調節范圍來保證VCO的輸出頻率能夠滿足設計的要求。
(3)穩定的增益：VCO的電壓——頻率非線性是產生噪聲的主要原因之一，同時，這種非線性也會給電路設計帶來不確定性，變化的VCO增益會影響環路參數，從而影響環路的穩定性。因此希望VCO的增益變化越小越好。
常見的壓控振蕩器主要有反相器型VCO、差分對型VCO以及LC型VCO。
反相器型VCO的核心是由奇數個反相器組成，振蕩頻率由每個反相器的延時以及反相器的個數決定的。每個單元的延時時間與流過反相器的電流、電壓、工藝有關。這種結構的VCO優點是電路設計簡單，振蕩頻率可以被設計得很高，但是它對電源或地的噪聲比較敏感，相位抖動較大。
差分對型VCO主要由差分對延時構成，其環路構成如圖2所示。差分延時單元由壓控電流源、電阻負載以及NMOS管構成。通過控制壓控電流源的電流控制振蕩頻率。差分對型VCO的優點是差分信號可以抑制地噪聲或電源噪聲，相位抖動較小，缺點是帶寬有限，不適于高頻應用。
LC型VCO的特點是：由于LC諧振腔的Q值很高，因而這種類型的VCO的相位噪聲很低，因而常用于對頻率抖動要求非常低的頻率合成器中。并且這種結構的工作頻率只與電感L和電容C有關，通過減小電感或電容并減小電路的寄生電容可以使得電路工作在很高的工作頻率下。
圖3是常見的負跨導LC型VCO結構，從MOS管漏端反饋回來的信號通過另一個MOS管反饋到該MOS管的源端，假設MOS管的跨導為gm，則從圖3(a)虛線端向上看的阻抗是-2/gm，這是一個負阻，它是由兩個交叉MOS管正反饋所產生的。通常，如果要使得振蕩器振蕩，這個負阻應小于或等于LC諧振腔的等效并聯內阻，也就是說MOS管的跨導越大，負阻越小，電路越容易振蕩。在振蕩情況下，電路的振蕩頻率與L和C有關，即為
，電容C是壓控電容，通過調節電壓Vcont可以調節電容的大小，從而改變電路的振蕩頻率。圖3(b)，(c)的結構與圖3(a)相似，圖3(a)結構對電源噪聲的抑制能力較強，圖3(b)結構對地噪聲的抑制能力較強，圖3(c)兼有前兩種結構的優點，而且只需一個電感就能實現，這樣可以減小前兩種結構電感不對稱造成的電路共模抑制能力降低的問題。相對于前面兩個電路，這個電路也有缺點，即該電路有2個電流源，因而電源噪聲較大。
圖4是一種差分結構的LC型VCO，假定NMOS與PMOS具有相等的跨導gm，則這種結構的負阻為～1/gm，比圖3結構的負阻減小1/2，由于
，如果要使得圖4和圖3兩種結構具有相同的負阻，那么圖4結構所需的電流只有圖3的1/4，因而圖4結構更適于低功耗設計。
壓控電容可以由CMOS中的二極管的結電容來實現。由于結電容與二極管兩端的電壓有關，通過控制這個電壓就能控制結電容的大小。LC型VCO的頻率調節范圍與壓控電容有關，通常由于工藝限制，二極管的結電容變化在50%以內，相應的VCO的頻率調節范圍只有10%左右。因而采用這種結構的環路的頻率調節范圍有限，需要采用其它的輔助方法才能擴大頻率的調節范圍。頻率鎖定范圍也會影響VCO的增益，鎖定范圍越大，VCO的增益越大，而VCO增益越高，振蕩器的輸入噪聲就越大，這是因為在控制電壓上有個較小的噪聲干擾就會引起較大的VCO頻率變化，因而VCO的調節范圍和相位噪聲間要折中確定。
3 低噪聲低功耗壓控振蕩器設計
圖5設計的是圖4所示結構的一種全差分結構的LC型壓控振蕩器，獲得了較高的電源噪聲和襯底噪聲抑制能力，且所需電流較小。其中子電路vco_var_cap為壓控電容陣列，可以通過控制GAIN<3：0>來控制壓控電容導通的個數，從而選擇合適的VCO增益和工作頻率。
圖6為該種LC型壓控振蕩器的控制電壓掃描曲線，其中圖6(a)為輸出頻率與控制電壓間的關系曲線，從圖中可以看出，當控制電壓從0V變為2V時，輸出頻率從2.06GHz變為1.98GHz。圖6(b)為壓控振蕩器增益隨控制電壓變化的關系曲線，控制電壓在0～2V之間，壓控振蕩器的最大增益為2π×50MHz/V，最小增益為2π×20MHz/V，所設計頻率綜合在這個壓控振蕩器增益變化的范圍內是穩定的，因而可以認為壓控振蕩器的工作范圍為1.98～2.06GHz。
圖7為此壓控振蕩器的瞬態仿真波形，從圖中可以看出，振蕩器從未振蕩到振蕩大慨在100ns，振蕩穩定時間與振蕩器的負阻有關，負阻越小，環路的正反饋能力就越強，達到穩定時間就越小。
4 結語
為了使輸出標準信號具有高穩定性和較高靈敏度，VCO的設計起決定性作用。差分對型VCO的優點是差分信號可以抑制地噪聲或電源噪聲，相位抖動較小。缺點是帶寬有限，不適于高頻應用。而LC諧振腔的Q值很高，因而LC類型的VCO的相位噪聲很低，因而常用于對頻率抖動要求非常低的場合，并且這種結構的工作頻率只與電感L和電容C有關，通過減小電感或電容，并減小電路的寄生電容可以使得電路工作在很高的工作頻率下。本文在分析和比較了反相型VCO、差分對型VCO、LC型VCO三種結構壓控振蕩器的優缺點的基礎上，采用一種全差分結構的LC型壓控振蕩器，獲得了具有差分結構和LC型結構雙重優點的壓控振蕩器。
