差分LC振荡器

5.1振荡器的简介

自激式振荡器是一种在无任何外加输入信号的情况下，就能自动地将自流电能转换成具有一定频率、幅度、波形的交流信号能量的电路。 5.1.1 振荡器的组成

一般来说，振荡器由以下3个部分组成：

（1）晶体管或电真空器件。起能量变化的作用，其中真空管器件的主要用于高频大功率振荡器的设计，而晶体管主要用于低频小功率振荡器的设计。 （2）正反馈网络。将输出信号一部分反馈至输入端。

（3）选频网络。用于选取所需要的振荡频率，以使振荡器能够在单一频率下振荡，从而获得所需的波形。 5.1.2 振荡器的基本原理 正反馈放大器的基本原理：

正反馈放大器原理框图

放大器的闭环增益

VoutGjj Vin1FjGj正反馈将不断增加的输出电压反馈到输入端，直到FjGj1

这个关系式就是振荡器振荡的巴克豪森条件，用相位和幅度可以表示为

Fj0Gj01 ， Fj0Gj03600

当满足上述两个条件时，振荡器就会产生振荡，振荡的角频率为0。实际上，振荡器是一个强非线性系统，起振时的环路增益必须大于1，电路中的噪声被放到一定的幅度后，环路进入平衡，满足平衡条件，维持等幅持续振荡。 5.1.3 差分LC振荡器的起振条件

差分LC振荡器相位噪声性能明显优于环形振荡器。差分LC振荡器直接把交叉耦合的MOS管看作一个等效的线性负电阻,振荡器输出频率由LC谐振回路决定,交叉耦合的MOS管为谐振回路提供能量,补偿LC的损耗维持振荡。

图5.1 图5.2

根据右图5.2的等效电路可以列出方程

vinvgs2vgs1

iingm1vgs2gm2vgs1

则放大器的等效负阻

vin11Rin

iingm1gm2其中gm1和gm2分别为M1和M2的跨导。若想等并等于gm，则有

2Ringm

电路的并联等效电阻为，为了保证电路起振，振

设差分耦合放大器相连的LC谐必须满足关系式

1RinRp

gm5.2差分LC振荡器电路的组成

差分LC振荡器的电路分为三级，第一级为差分LC振荡器，第二级为缓冲电路，第三级为输出匹配网络。 5.2.1差分LC振荡器的设计

该差分LC振荡器的结构如下图5.3所示。其中L1，L2，C1组成谐振回路，其中振荡器的谐振频率的计算公式为

1f2C1L1L2

交叉耦合的MOS管M1，M2等效为线性负电阻,并为谐振回路提供能量,补偿LC的损耗维持振荡。M3为M1,M2提供偏置电流。

图5.3 图5.4

5.2.2缓冲电路

缓冲电路的作用对前级输出的波形进行整形和放大，同时提供足够大的电压和电流驱动后级的电路。为了使信号电平的损失小到可以忽略不计，就必须在放大器后面放置一个“缓冲器”。其缓冲电路结构如上图5.4所示。 5.2.3输出匹配网络

输出匹配电路的作用是提供50欧姆的阻抗匹配。对于高频电路，输入和输出之间的阻抗匹配是重要的设计指标，若匹配不好，会造成信号功率反射而损耗，使信号不能有效传输。由于本设计的缓冲级的输出端的阻抗为48.832-j*1.885欧姆，已经很接近50欧姆的特征阻抗。所以不用做输出匹配网络。

5.3差分LC振荡器的参数仿真

本节主要介绍2.4GHZ 差分LC振荡器的参数的仿真。本课程设计选择TSMC的0.18um的工艺库，使用ADS仿真工具。本节主要包括射频MOS管的仿真、振

荡电路的瞬态仿真、振荡器的频谱分析、振荡器的平坦度分析。 5.3.1射频MOS管的仿真

本课程设计使用ADS进行电路的设计。首先对0.18um的射频MOS管进行直流仿真，并得到其参数。图4.5是管子的仿真原理图。

图5.5

使用ADS仿真软件，把Vgs和Vds设为变量，分别对Vds进行直流仿真，对Vgs进行选择2.4GHz下的S参数的仿真。得到Vds与Id的输出曲线，如下图5.6所示。得到gm与Vgs的关系曲线，如下图5.7所示。得到S参数仿真的NFmin与Vgs的关系，如下图5.8所示。可以发现Vgs=0.7V时，管子有最小的噪声系数。

图5.6 图5.7

图5.8

将管子的W设为变量，而L设为定值为最小栅长。分别对W进行直流和S参数的仿真。分别得到下图5.9，图5.10。可以看出最小宽长比会得到最小的噪声系数。

图5.9 图5.10

5.3.2振荡电路的瞬态仿真

选择瞬态仿真工具，得到输出端的瞬态输出波形（如图5.12）。可以看到，振荡器已经可以稳定的振荡起来，并且有一定的振荡时间，从波形中两点m1，m2的数据可以看出，振荡波形是相当稳定的，幅度差非常小，频谱纯度较高。选择放大1s内的输出端的波形（如图5.11），可以看到，波形基本上是正弦波。

图5.11 图5.12

选择Vgs为变量，进行瞬态仿真，得到不同Vgs下输出端波形的幅度。如下图5.13所示。

图5.13

5.3.3振荡器的频谱分析

如果对图12这段输出波形从时域变换到频域，可以看到振荡器振荡频率的频谱，从m3标记的数值可以看出，该振荡器的振荡频率为2.420GHz，已经非常接近设计指标（如下图5.13所示）。扩大该振荡频率的频谱范围，可以看到振荡频率的谐波（如下图5.14所示）。

图5.13 图5.14

5.3.4振荡器的相位噪声

使用ADS中的谐波平衡法仿真可以分析相位噪声。在振荡器里面加入一个Oscport的器件，接在反馈网络和谐振网络之间。然后设置参数。从下图5.15和图5.16可以看出在偏离基波频率100KHz处，相对的调幅噪声anmx为150.256dBc/Hz，相对的相位噪声pnmx为112.588dBc/Hz。

图5.15 图5.16

在谐波平衡仿真后，在数据显示窗口插入一个关于Vout 的功率谱密度的矩形图，如图5.17所示，可以看到在基波频率上的能量最大。

图5.17

在数据显示窗口中插入一个关于anmx 和pnmx 的数据列表，可以查看在不同偏离基波频率处两种噪声的值。如下图5.18所示。

图5.18

5.3.5振荡器的平坦度分析

将C1设置为变量，然后扫描其输出电压的频率，可以看到一次谐波频率freq[1]与C1的关系。如下图5.19所示。同时显示输出信号功率与输出信号频率之间的关系。从图5.19中可以看出，所设计的振荡器线性度良好。从图5.20可以看出，输出功率比较平坦。

图5.19 图5.20

5.4小结

本章首先简要介绍了振荡器，然后详细的阐述了差分LC振荡器的基本原理，接着展示了本课程设计的差分LC振荡器的基本结构，最后，描述了差分LC振荡器的仿真过程和结果，分别对静态工作点仿真、瞬时仿真、相位噪声仿真和线性度仿真，并对仿真结果进行分析验证。