CMOS数控振荡器设计
摘 要：设计并讨论了一种新颖的完全基于CMOS静态逻辑反相器设计的数字控制振荡器DCO 结构（Digitally-Controlled Oscillator），这种数字控制振荡器采用全数字电路构成，较之LC振荡器更加易于设计和制造，适合于高频高性能数字锁相环的应用。电路结构的仿真采用Spectre仿真器，基于STMicroelectronics CMOS 90nm工艺，在1.2V电源电压下实现了1GHz~6GHz的数控振荡频率变化范围，功耗为0.1mW~3mW，10MHz 的频率偏移处的相位噪音约为-114dBc/Hz。
1 引言
随着数字信号处理越来越广泛的应用，数字锁相环DPLL（Digital Phase Lock Loop）在现代集成电路设计中也越来越普遍，特别是在数字信号处理器DSP和微处理器这类高性能数字电路应用中，数字锁相环更是一种必不可少的电路。与传统的模拟锁相环（Analog Phase-Locked Loop）相比，由于数字锁相环较少采用高阻值电阻、电容以及电感等非线性器件，可以采用与高速数字逻辑电路相兼容的制造工艺来设计和制造，也更加容易在数字系统中应用。
一个典型的数字锁相环结构如图1 所示，数控振荡器DCO（Digital-Controlled Oscillator）是其中最关键和核心的部分。数控振荡器DCO 输出了可变频率的振荡波形，决定了整个锁相环的噪声性能和功耗。数字时间转换器（Time - to - DigitalConverter）输出了参考时钟和反馈来的输出时钟之间的相位差，一个数字环形滤波器（Digital LoopFilter）代替了模拟环形滤波器来控制DCO，由与参考时钟的相位差来控制DCO 输出或高或低的振荡频率，输出振荡信号由负反馈送到数字时间转换器，使相位差减小，最终让输出信号频率与参考时钟频率一致，即达到相位锁定。整个DCO 因此不再需要含有电容或电感，同时也减少漏电流和电源噪音的问题。
2 电路结构和原理
数控振荡器有多种实现结构，本文设计了一种完全采用静态CMOS 逻辑电路的DCO结构，该DCO基于由CMOS 反相器构成的环形振荡器，其电路结构如图2 所示。
如图2 所示，每一级环形振荡器均是5 个CMOS反相器串联，并构成闭环负反馈回路，每个反相器的输出也与下一级环形振荡器对应的反相器输出相连。根据巴克豪森准则：振荡器要产生振荡，那么环路增益必须大于等于一且总相移有360°。因此环路中进行反相的次数必须是奇数，三个以上的奇数个CMOS 反相器串联闭环回路，在一个微小的激励下都能够产生振荡。单级环形振荡器的振荡频率由反相器个数和其本征延迟决定，用n 表示反相器个数，tr 表示反相器上升沿延迟，tf 表示反相器下降沿延迟，频率可以用下式表示为：
反相器下降延迟t f 和上升延迟t r 根据下列公式定义，式中Rn、Rp 分别为图2（b）中反相器PMOS管M0、M1和NMOS 管M2、M3 的等效电阻，Cout 为反相器输出电容。
