CMOS谐振振荡器简介

逍遥设计自动化

引言
谐振振荡器是模拟电子技术中少数仍然保持重要地位的领域之一。这些线路能够从恒定电源产生时变周期信号。虽然产生基本振荡相对简单，但在现代设计约束下实现高质量振荡具有显著挑战性。这些约束包括低电源电压、有限功耗、宽频率调谐范围以及与数字CMOS工艺的兼容性[1]。

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% c0 ]+ G5 |  N" ^2 `. g, ]图1：损耗LC谐振器及其等效并联模型，展示了谐振振荡器的基本构建模块。
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+ k1 o% H- T4 ^3 Y- z# O基本工作原理
谐振振荡器的基础是由并联的电感(L)和电容(C)组成的谐振器，通常称为LC振荡凉。这种配置作为能量储存器，在角频率ω0 = 1/√LC时产生谐振，此时电感和电容的阻抗相互抵消。

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图2：Colpitts振荡器的简化示意图，展示了单端共栅实现的基本架构。

1918年由E. Colpitts发明的Colpitts振荡器代表了负阻振荡器的优雅实现。从nMOS漏极到源极的正反馈通过分压电容(C1-C2)产生所需的负阻。这种设计仅需要一个有源器件，因为电流源可以用简单的电阻实现。

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3 f* h8 N" M( _2 t图3：Colpitts振荡器的小信号等效线路，显示了确定振荡条件的分析设置。
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2 D. {& P$ d3 Z* }' s: h相位噪声特性
相位噪声是谐振振荡器性能的关键指标。由于各种噪声源的影响，振荡相位的不确定性随时间无限增长。在时域中，这种不确定性表现为抖动，而在频域中表现为相位噪声，用dBc/Hz表示。
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图4：受强白噪声源影响的振荡，展示了噪声对信号质量的影响。
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* J9 F4 E1 ~9 }  B5 B4 ]# P& p图5：带噪振荡器的频谱，显示了特征相位噪声边带。
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先进振荡器架构
1 r- r7 b! n" \" e3 n$ B- T8 H- ]现代CMOS实现通常采用交叉耦合差分对振荡器设计。这种架构提供差分相位，对大多数现代应用都是必需的。通过将差分谐振器输出交叉耦合到差分nMOS对输入来实现负阻。
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图6：具有单交叉耦合差分对的B类振荡器简化示意图，展示了一种流行的现代实现。

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频率调谐机制
6 R# `7 }6 _5 {' b实用振荡器需要频率调谐能力以补偿元件值不确定性和工艺变化。最常用的方法是将部分谐振器电容替换为电压控制电容(变容器)。
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+ I5 [% y5 `& H* z: G图7：AMOS变容器的截面图，说明了电压控制电容元件的结构。

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' W" ?$ {& P7 E+ {图8：AMOS变容器与pMOS器件的C-V曲线对比，展示了控制电压下的电容变化。

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多核心和高级实现
& Z: {# k; v! A/ L' V2 w为实现更好的相位噪声性能，多个相同的振荡器可以耦合并同步运行。这种方法可以按核心数量比例降低相位噪声功率，但会增加功耗和硅面积。

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图9：可重构耦合振荡器阵列，展示了多核心振荡器系统的实现。
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1 Z# C! G( A6 V+ x: S$ {4 E基于变压器和模式切换的技术已经引起了广泛的研究兴趣。这些高级架构旨在打破相位噪声、功耗和调谐范围之间的传统权衡，同时提高整体性能指标。

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8 P1 Y, R# m. k. u结论
谐振振荡器在现代通信系统中仍然具有基础性作用，特别是在需要高频率纯度的场合。虽然基本原理保持相对稳定，但现代实现方式持续发展以满足日益严格的规格要求。新架构和技术的持续开发，特别是在基于变压器设计和多核心实现等领域的创新，展示了这一领域的活力。
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) D! k# U5 q( b( i- I/ e参考文献
' j5 R6 T0 m6 s4 u0 b1 v[1] P. Andreani and A. Bevilacqua, "Harmonic Oscillators in CMOS—A Tutorial Overview," IEEE Open Journal of the Solid-State Circuits Society, vol. 1, pp. 2-17, Sept. 2021, doi: 10.1109/OJSSCS.2021.3109854.
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