射頻芯片中的兩種振蕩器結(jié)構(gòu)

射頻微電子書中，主要講了兩種振蕩器結(jié)構(gòu)，分別為交叉耦合振蕩器和三點式振蕩器。

交叉耦合振蕩器

交叉耦合振蕩器，是RF芯片設(shè)計的主流選擇。

一個放大器，配上LC調(diào)諧，就可以形成一個振蕩器。

如下圖所示。

其中C1代表在輸出端看到的電容，Rp代表LC諧振器的等效并聯(lián)電阻。

可以通過以下三個步驟，對以上電路進(jìn)行直觀分析。

step1: 低頻時，電感占主導(dǎo)地位，因此

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

step2:諧振時，Rp占主導(dǎo)作用，因此

此時ang(Vout/Vin)=-180度。

step3:高頻時，電容占主導(dǎo)作用，因此

此時ang(Vout/Vin)接近90度，即-270度。

綜合上面的步驟，可粗略地畫出上圖對應(yīng)的頻率響應(yīng)。

那如果把上面電路的輸出和輸入連接，會振蕩么？

答案是不會。從上面?zhèn)鬏敽瘮?shù)的相位圖可知，電路的相移在諧振處的相移為-180度，最大的相移也是在-270度，而沒有達(dá)到360度(因為上述電路將vout連接到vin,是正反饋)。

那怎么才能產(chǎn)生振蕩呢?

上面的電路，在相移為-180度時，增益為,足夠大。如果再級聯(lián)一個一模一樣的電路，那么相位在諧振的時候，就能達(dá)到180+180=360度，同時環(huán)路具有足夠的增益，此時就滿足振蕩條件了。

對上述電路重新畫一下，就變成下圖所示。

但是上面形式的交叉耦合振蕩器，偏置電流會受電子遷移率，溫度，Vth以及供電電壓VDD的影響。

考慮到VX和VY為差分信號，如果M1和M2與尾電流源相連，他們可以作為差分對運行。此時，M1和M2的偏置電流就為ISS/2，主要取決于尾電流源，穩(wěn)定多了。

但是由于CDB(漏極與襯底之間的電容)的存在，即使尾電流源完全理想，振蕩器的頻率也會隨著VDD的變化而變化。

因為VDD變化，會導(dǎo)致CDB的容值發(fā)生變化，從而是振蕩頻率發(fā)生變化。

 三點式振蕩器

對上圖(a)進(jìn)行分析，可知：

即(a)電路可以等效為C1，C2和一負(fù)阻的級聯(lián)。

圖(a)中提供了負(fù)阻和電容，將其連接一有耗電感，即可形成振蕩器。

上述電路中，并沒有指明哪一個節(jié)點與GND連接。

將MOS管的三個端口分別與GND連接，得到三個不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

三點式振蕩器的起振，對電感的Q值有較高的要求，也就是說如果電感的Q值不夠高的話，振蕩器可能不起振。

另外，上述的三點式振蕩器輸出的是單端信號。

可以將兩個相同的三點式振蕩器連接在一起，如下圖所示，也可產(chǎn)生差分輸出。

三點式振蕩器通過兩個相同的電路連接，可以產(chǎn)生差分振蕩信號，不過它的起振條件相比于交叉耦合振蕩器來說，相對嚴(yán)格。

另外尾電流I1和I2的噪聲也會對振蕩信號產(chǎn)生影響。