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振荡器频率噪声GPS校频的压控振荡器设计

目前,随着科学技术的发展,时频测量对时间频率的准确度、稳定度等技术指标的测试要求越来越高,现在许多电子仪器内部已经采用了铷钟时基。如果仍使用过去的铷原子频率标准或晶体振荡电路频率作为计量测试标准,那么,计量测试频率准确度的要求将无法得到保证。而基于GPS校频的高精度宽带频率测量技术,为经济、便捷的高精度宽带频率测量提供了一个技术支持解决方案。该方案的要点是通过GPS信息中的1 pps(秒脉冲)精确定时信号,利用时间间隔测量技术,与本地频标的分频信号进行比对,生成误差控制电压,对压控振荡器频率进行准确控制与调节,极大地提高振荡频率的精度与稳定性。其中压控振荡器是该环路中的重要部分,它的稳定性和频率调节范围在很大程度上决定了系统的稳定性及精度。因此对压控振荡器的研究与设计是本方案的关键环节之一。本文首先简介了基于反馈控制原理与GPS驯服校频技术,获得高稳定度、高准确率标准频率信号的基本原理及电路组成,然后重点分析各类压控振荡器的噪声与频率调节范围及稳定时间的关系,设计了一款指标优化的压控振荡器。

1 基于反馈控制原理与GPS驯服校频技术频标产生电路的基本原理
基于GPS校频的高精度宽带测频技术关键是通过GPS定时信号控制振荡器产生高稳定度和高准确率的标准频率信号,图1是一个基于反馈控制原理与GPS驯服校频技术的标准频率产生电路。

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它是一个闭环反馈控制系统,主要由GPS接收器、时间间隔测量环节、数据控制与处理环节、误差控制电压产生环节、压控振荡器(VCO)、分频器等5部分组成。GPS接收器接收卫星信号产生的1 pps信号,利用该信号采用高精度时间间隔测量技术,将其与本地频标的分频信号进行比较,按照相位差的变化速率计算出相对频差,形成误差控制电压,反馈到本地压控振荡器,调节振荡器输出信号频率直至分频输出频率与GPS秒脉冲频率相等时,误差控制电压接近于零,系统最终处于平衡状态,从而实现对输入信号(GPS)的跟踪和锁定。把本地频标的准确度锁定在GPS标准的准确度上,从而实现对高稳定晶体振荡频率的驯服和调节,提高频标振荡器的精确度和稳定性。

2 压控振荡器的特点分析
基于反馈控制原理与GPS驯服校频技术频标产生电路的精确度和稳定性主要取决于环路中的压控振荡器。压控振荡器(VCO)是一个电压一频率转换电路,在环路中作为被控振荡器,它的输出频率应随控制电压线性地变化,一个理想的压控振荡器其输出频率和输入频率的关系有:
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式中:KVCO为压控振荡器的增益。在实际应用中,压控振荡器的线性范围有限,超出这个范围之后,环路的参数就会变化较大,不利于环路设计。通常评价VCO的好坏主要有以下指标:
(1)低抖动或低相位噪声:由于电路结构、电源噪声以及地噪声等因素的影响,VCO的输出信号并不是一个理想的方波或正弦波,其输出信号存在一定的抖动,转换成频域后可以看出信号中心频率附近也会有较大的能量分布,即是所谓的相位噪声。VCO输出信号的抖动直接影响其他电路的设计,通常希望VCO的抖动越小越好。
(2)宽调频范围:VCO的调节范围直接影响着整个系统的频率调节范围,通常随着工艺偏差、温度以及电源电压的变化,VCO的锁定范围也会随着变化,因此要求VCO有足够宽的调节范围来保证VCO的输出频率能够满足设计的要求。
(3)稳定的增益:VCO的电压——频率非线性是产生噪声的主要原因之一,同时,这种非线性也会给电路设计带来不确定性,变化的VCO增益会影响环路参数,从而影响环路的稳定性。因此希望VCO的增益变化越小越好。
常见的压控振荡器主要有反相器型VCO、差分对型VCO以及LC型VCO。
反相器型VCO的核心是由奇数个反相器组成,振荡频率由每个反相器的延时以及反相器的个数决定的。每个单元的延时时间与流过反相器的电流、电压、工艺有关。这种结构的VCO优点是电路设计简单,振荡频率可以被设计得很高,但是它对电源或地的噪声比较敏感,相位抖动较大。

差分对型VCO主要由差分对延时构成,其环路构成如图2所示。差分延时单元由压控电流源、电阻负载以及NMOS管构成。通过控制压控电流源的电流控制振荡频率。差分对型VCO的优点是差分信号可以抑制地噪声或电源噪声,相位抖动较小,缺点是带宽有限,不适于高频应用。

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LC型VCO的特点是:由于LC谐振腔的Q值很高,因而这种类型的VCO的相位噪声很低,因而常用于对频率抖动要求非常低的频率合成器中。并且这种结构的工作频率只与电感L和电容C有关,通过减小电感或电容并减小电路的寄生电容可以使得电路工作在很高的工作频率下。

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图3是常见的负跨导LC型VCO结构,从MOS管漏端反馈回来的信号通过另一个MOS管反馈到该MOS管的源端,假设MOS管的跨导为gm,则从图3(a)虚线端向上看的阻抗是-2/gm,这是一个负阻,它是由两个交叉MOS管正反馈所产生的。通常,如果要使得振荡器振荡,这个负阻应小于或等于LC谐振腔的等效并联内阻,也就是说MOS管的跨导越大,负阻越小,电路越容易振荡。在振荡情况下,电路的振荡频率与L和C有关,即为d.jpg,电容C是压控电容,通过调节电压Vcont可以调节电容的大小,从而改变电路的振荡频率。图3(b),(c)的结构与图3(a)相似,图3(a)结构对电源噪声的抑制能力较强,图3(b)结构对地噪声的抑制能力较强,图3(c)兼有前两种结构的优点,而且只需一个电感就能实现,这样可以减小前两种结构电感不对称造成的电路共模抑制能力降低的问题。相对于前面两个电路,这个电路也有缺点,即该电路有2个电流源,因而电源噪声较大。
图4是一种差分结构的LC型VCO,假定NMOS与PMOS具有相等的跨导gm,则这种结构的负阻为~1/gm,比图3结构的负阻减小1/2,由于e.jpg,如果要使得图4和图3两种结构具有相同的负阻,那么图4结构所需的电流只有图3的1/4,因而图4结构更适于低功耗设计。
压控电容可以由CMOS中的二极管的结电容来实现。由于结电容与二极管两端的电压有关,通过控制这个电压就能控制结电容的大小。LC型VCO的频率调节范围与压控电容有关,通常由于工艺限制,二极管的结电容变化在50%以内,相应的VCO的频率调节范围只有10%左右。因而采用这种结构的环路的频率调节范围有限,需要采用其它的辅助方法才能扩大频率的调节范围。频率锁定范围也会影响VCO的增益,锁定范围越大,VCO的增益越大,而VCO增益越高,振荡器的输入噪声就越大,这是因为在控制电压上有个较小的噪声干扰就会引起较大的VCO频率变化,因而VCO的调节范围和相位噪声间要折中确定。
3 低噪声低功耗压控振荡器设计
图5设计的是图4所示结构的一种全差分结构的LC型压控振荡器,获得了较高的电源噪声和衬底噪声抑制能力,且所需电流较小。其中子电路vco_var_cap为压控电容阵列,可以通过控制GAIN<3:0>来控制压控电容导通的个数,从而选择合适的VCO增益和工作频率。

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图6为该种LC型压控振荡器的控制电压扫描曲线,其中图6(a)为输出频率与控制电压间的关系曲线,从图中可以看出,当控制电压从0 V变为2 V时,输出频率从2.06 GHz变为1.98 GHz。图6(b)为压控振荡器增益随控制电压变化的关系曲线,控制电压在0~2 V之间,压控振荡器的最大增益为2π×50 MHz/V,最小增益为2π×20 MHz/V,所设计频率综合在这个压控振荡器增益变化的范围内是稳定的,因而可以认为压控振荡器的工作范围为1.98~2.06 GHz。

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图7为此压控振荡器的瞬态仿真波形,从图中可以看出,振荡器从未振荡到振荡大慨在100 ns,振荡稳定时间与振荡器的负阻有关,负阻越小,环路的正反馈能力就越强,达到稳定时间就越小。

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4 结语
为了使输出标准信号具有高稳定性和较高灵敏度,VCO的设计起决定性作用。差分对型VCO的优点是差分信号可以抑制地噪声或电源噪声,相位抖动较小。缺点是带宽有限,不适于高频应用。而LC谐振腔的Q值很高,因而LC类型的VCO的相位噪声很低,因而常用于对频率抖动要求非常低的场合,并且这种结构的工作频率只与电感L和电容C有关,通过减小电感或电容,并减小电路的寄生电容可以使得电路工作在很高的工作频率下。本文在分析和比较了反相型VCO、差分对型VCO、LC型VCO三种结构压控振荡器的优缺点的基础上,采用一种全差分结构的LC型压控振荡器,获得了具有差分结构和LC型结构双重优点的压控振荡器。

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