壓控振蕩器（VCO）是鎖相環(huán)電路設(shè)計中關(guān)鍵的模塊之 一，它的特性的好壞直接決定著整個鎖相環(huán)電路的整體工作   質(zhì)量。 壓控振蕩器的設(shè)計有許多要求，其中，相位噪聲、調(diào)諧 范圍以及功耗是其設(shè)計的重要指標(biāo)。  在壓控振蕩器的設(shè)計 中，對于給定的工藝，對其設(shè)計過程中參數(shù)指標(biāo)存在折中的 關(guān)系，高性能的壓控振蕩器要求有較低的相位噪聲，較好頻 率調(diào)節(jié)范圍和合理的功耗。   在鎖相環(huán)電路中，LC 振蕩器和環(huán)形振蕩器是很重要的 兩種振蕩器。 LC 振蕩器的相位噪聲要比環(huán)形振蕩器好，并且 固有的有較好的調(diào)諧范圍，集成電路中普遍采用的是交叉耦 合型 LC 振蕩器。 它具有較低的相位噪聲，良好的線性度，簡 單的結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高頻鎖相環(huán)電路中，因此本設(shè) 計是基于 LC 振蕩器基礎(chǔ)上完成的^[1]。 在壓控振蕩器的設(shè)計過程中， 許多文章分別從理論、結(jié) 構(gòu)、工藝等不同的方面分析了相位噪聲，并敘述了改善相位 噪聲研究中所取得的進(jìn)展^[1-3]。 根據(jù)現(xiàn)有噪聲相位模型來分析， 諧振網(wǎng)絡(luò)的寄生電阻、交叉耦合管和尾電流源是交叉耦合型 LC 振蕩器的主要相位噪聲來源。 為獲得良好的相位噪聲性能，本設(shè)計還采用二次諧波濾 波技術(shù)來減小壓控振蕩器的相位噪聲。 仿真結(jié)果表明，經(jīng)過 二次諧波濾波電路的優(yōu)化，有效地改善了壓控振蕩器的相位 噪聲特性。



由上式可知，在選定的工藝條件下，振蕩器工作于某一頻率，決定其相位噪聲的參數(shù)為：輸出電壓波形的幅度 A，諧
 
振網(wǎng)絡(luò)的等效電阻 R，諧振網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因數(shù) Q，相位噪聲系數(shù)
 
F，振蕩頻率 f₀。為了得到更好的相位噪聲，需要對這些影響參數(shù)進(jìn)行調(diào)整， 其中諧振的 Q 和電阻主要與電感的 Q 決定，主
 
要取決于器件所用的工藝。 輸出電壓波形的幅度主要與振蕩電路的等效電阻和尾電流源（鏡像電流源）有關(guān)，因此，增加尾電流源可以從一個方面減小振蕩器的相位噪聲，尾電流源的噪聲， 通常采用電感電容濾波的方法改善。
 
2.3 二次諧波濾波技術(shù)
 
文中設(shè)計的壓控振蕩器采用差分結(jié)構(gòu)，奇次諧波可以在差分電路中進(jìn)行傳播，因此振蕩回路基頻上的相位噪聲不會受到奇次諧波上噪聲的影響， 而偶次諧波通過共模通路流動，為了減小偶次諧波附近的噪聲，給高次諧波提供一個交流地電位， 設(shè)計思路是采用在共模點(diǎn)并聯(lián)一個大電容的方法，這樣就減小共模點(diǎn)的電壓波動，抑制了偶次諧波產(chǎn)生的噪聲損耗。 設(shè)置并聯(lián)電容值的原則是必須使二次諧波頻率高于低通濾波器的截止頻率，這樣就能濾除二次諧波以上的偶次諧波。 這種設(shè)計方法可以有效地抑制諧波失真，使輸出電壓波形更加勻稱。
 
此設(shè)計方法在一定程度上也有不足之處，電容的并聯(lián)作用減小了高頻偏置下的電流源輸出阻抗，使振蕩回路對電源電壓的變化更加敏感。 為了避免諧振回路能量的損失，需要在共模點(diǎn)與偏置電流源管之間接一個電感，其理想的等效阻抗接近無窮大。 因此，在提高了共模點(diǎn)上高阻抗的同時，又降低了諧振回路的品質(zhì)因數(shù)。 采用二次諧波濾波技術(shù)，不僅有效地抑制了偏置電流源噪聲上變頻到振蕩器的相位噪聲上，同時也降低了晶體管對振蕩器的相位噪聲的影響。
 
3 電路仿真和結(jié)果分析
 
以下是本文電路的仿真分析，圖 3 為壓控振蕩器的輸出瞬態(tài)波形，控制電壓為 1.8 V 時，可以看出振蕩器所需的起振

.圖 6 為中心頻率 2.0 GHz 附近的相位噪聲曲線，可見，二
 
次 諧波濾波的方法將本文設(shè)計的壓控振蕩器的相位噪聲在很大的范圍內(nèi)減小了，并且越是靠近振蕩的中心頻率，改善效果越明顯，實現(xiàn)了在寬調(diào)諧范圍內(nèi)得到較低且相對穩(wěn)定的相位噪聲。 利用二次諧波濾波技術(shù)^[11]改進(jìn)電路后，在 10 kHz
 
處的相位噪聲為-48.824 dBc/Hz， 在 400 kHz 處的相位噪聲分別為-141.109 dBc/Hz，在 1 MHz 處的相位噪聲為-148.825 dBc/Hz，結(jié)果顯示壓控振蕩器的噪聲性能良好。
 
4 結(jié) 論
 
文中介紹了一種應(yīng)用于鎖相環(huán)電路中的 LC 壓控振蕩器，其核心電路是采用交叉耦合型負(fù)阻結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的，為了