第３３卷第３期 ２０１４年９月 通 信 对 抗 Ｖ０１．３３ Ｎｏ．３ Ｓｅｐ．２０１４ Ｃ０ＭＭＵＮＩＣＡＴ１０Ｎ Ｃ０ＵＮＴＥＲＭＥＡＳＵＲＥＳ 频率分辨率数字控制振荡器的设计方法 江平 ，杨德远 ，吴建辉 ，程明 （１．中国电子科技集团公司第三十六研究所，浙江嘉兴３１４０３３； ２．东南大学国家专用集成电路系统工程技术研究中心，江苏南京２１００９６） 摘要：介绍了数字控制振荡器的研究现状，并指出其重点研究方向之一为高频率分辨率设计。总结并分 析了当今主流的高频率分辨率的数字控制振荡器的设计方案，基于对现有成果的研究，提出了一种提高数 控振荡器频率分辨率的电路结构，给出了改进型的开关电容阵列单元，通过仿真对其可行性进行了验证。 关键词：数字控制振荡器；频率分辨率；开关电容阵列 中图分类号：ＴＮ７４ 文献标识码：Ａ Ｄｅｓｉｇｎ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｄｉｇｉｔａｌｌｙ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ ｗｉｔｈ Ｈｉｇｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ＪＩＡＮＧ Ｐｉｎｇ ，ＹＡＮＧ Ｄｅ－ｙｕａｎ ，ＷＵ Ｊｉａｎ－ｈｕｉ ，ＣＨＥＮＧ Ｍｉｎｇ （ ．Ⅳ０．３６ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｈｈｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＣＥＴＣ，Ｊｉａｘｉｎｇ Ｚｈｅｊｉａｎｇ ３１４０３３，Ｃｈｉｎａ，＂ ２．Ｎａｔｉｏｎａｌ Ａ ＳＩＣ Ｓｙｓｔｅｍ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｊｉａｎｇｓｕ ２１００９￣Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｄｉｇｉｔｌａｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ（ＤＣＯ）ｉｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｉｔ ｉｓ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＤＣＯ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎｔｅｒｅｓｔｓ．Ｔｈｅ ｄｏｍｉｎａｎｔ ｄｅｓｉｇｎｓ ｏｆ ｔｈａｔ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｗｈｉｃｈ，ａ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ＤＣＯ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ａｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｃａ— ｐａｃｉｔｏｒ ａｒｒａｙ ｕｎｉｔ．Ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｉｓ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｂｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｉｇｉｔａｌｌｙ ｃｏｎｔｒｏＨｅｄ ｏｓｃｉｌａｔｏｒ（ＤＣＯ）；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ；ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ａｒｒａｙ １ 引言 锁相环频率合成器因其具备体积小、性能好等优点 控制振荡器（ＤＣＯ）是全数字锁相环的重要组成单元之 一，其频率分辨率和相位噪声特性对锁相环的特性具有 重要影响。ＤＣＯ的相位噪声是其频率分辨率的函数，受 而广泛应用于通信、干扰、数据恢复等系统中。随着电 子产业的快速发展，对电子设备低成本、低功耗的要求 越来越高，系统集成芯片（ＳＯＣ）成为技术发展的必然趋 限于谐振网络中单位开关电容值…。传统的ＤＣＯ采用 普通ＭＯＳ管来实现单位开关电容，受制于最小尺寸，无 法实现足够小的开关电容值。为减小单位开关电容，目 势。传统锁相环采用数模混合结构，难于应用最先进的 数字工艺进行全集成，寻找其数字化的替代电路势在必 行。全数字锁相环正是一种可行的替换方案，易集成、 功耗低、体积小等特点使其成为业界的研究热点。数字 前有三种主流方案，第一为高速脉冲调谐电容【 】方案， 第二为数模转换器（ＤＡＣ）控制调谐电容【 ］方案，第三为 改进电容单元结构…方案。下文将分析传统ＤＣＯ的结 构组成及不足，高分辨率ＤＣＯ的实现方案及优缺点，在 收稿日期：２０１４—０４—２２ ・４０・ 通 信 对 抗 第３３卷 此基础上设计了一种改进型ＤＣＯ，仿真验证了其性能， 并与其它设计进行比较，为高分辨率ＤＣＯ设计提供了 一种思路。 ２传统ＤＣＯ介绍 传统电感电容型ＤＣＯ结构如图１所示。它由两部 分组成，其～为谐振网络，即图１中虚线框内部分，基本 确定了ＤＣＯ的振荡频率；其二为互补交叉耦合ＭＯＳ管 对构成的负阻，用于提供维持ＤＣＯ振荡所需的能量。采 用互补结构能够获得更大的输出幅度、更好的ｌ／厂噪声 以及更低的功耗［５－６１。谐振网络包含了固定电感、固定电 容以及多级开关电容阵列，图１所示为三级开关电容阵 列：粗调阵列、中间级阵列和精调阵列，分别实现不同频 率步进的调谐。在ＤＣＯ调谐控制过程中，三级开关电容 阵列是逐次调谐的，即先控制粗调阵列，再控制中间级 图１传统三级电容阵列ＤＣＯ结构 矗 毋 Ｆ （ａ）粗调 ㈦中间级及精调 图２电容单元结构 图３精调阵列单元电容一电压特性 阵列，最后控制精调阵列，使输出频率逐渐逼近到所需 值。在调谐当前电容阵列时，其它两级阵列的控制字保 持不变。三级电容阵列的电容单元分别采用图２（ａ）、 （ｂ）所示结构，电容单元（ｂ）的电容一电压特性曲线如图 ３所示，在控制字ＦＣＷＭ／ＦＣＷＦ控制下，ＰＭＯＳ管工作于 反型区或耗尽区两个开关状态，即精调阵列开关电容 △ｃ，－ｃ Ｃ—ＤＣＯ的谐振频率 由谐振网络确定，可 以表示为： ｆｏ－１ （１） ２７ｒ ２７ｒ、／ Ｃ 当△Ｃ，＜＜Ｃ时，调谐步进△－ 可表示为： Ａｆ￣＝ｆｏ （２） 由于工艺特征尺寸和ＭＯＳ管最小尺寸了△Ｃ， 的减小，导致△＿ 难以降低到理想值，在某种程度上也 制约了相位噪声的优化。显然，研究高分辨率ＤＣＯ是十 分必要和有意义的。 ３高频率分辨率ＤＣＯ设计方法 ３．１ 高速脉冲电容调谐技术 采用高速脉冲电容调谐技术的ＤＣＯ结构如图４所 示。在精调电容阵列的控制中引入高频调制，将该阵列 的控制字ＦＣＷＦ拆分成两部分，其中一部分通过二进 制一热编码译码器，控制该阵列中的变容管，称为整数 部分（ＦＣＷＧ），而另一部分则作为一个调制器的输入，用 其输出去控制精调电容阵列中的一个或少数几个变容 管，称为小数部分（ＦＣＷＦｓ）。整数部分的单位开关电容值 与传统结构相同，而小数部分则通过平均等效产生一个 更小的单位开关电容，实现更高的调谐分辨率。但是高 速脉冲电容调谐技术本身产生的噪声将恶化输出相位 噪声，尤其是采用具有白噪声特性的非随机抖动技术， 在低频处恶化相位噪声很明显。因此，在设计中往往采 用具有噪声整形功能的∑△调制技术，将低频偏处的 噪声搬移到较高的频偏处，从而减弱其影响，同时高频 偏处的噪声容易采用滤波技术滤除。图４中的调制器和 分频器使电路的复杂度和功耗有所增加。 ＦＣＷＦＩ ＦＣＷＦ Ｉ‘‘。—— Ｆｃ 兰 图４采用高速脉冲调谐的ＤＣＯ结构 第３期 江平，等：高频率分辨率数字控制振荡器的设计方法 ・４ｌ・ ３．２ ＤＡＣ控制调谐技术 采用ＤＡＣ控制调谐技术的ＤＣＯ结构如图５所示。 从图５中可见精调电容阵列控制字ＦＣＷＦ也被拆分成 整数部分和小数部分。其中整数部分和传统ＤＣＯ及上 述采用高速脉冲调谐技术的ＤＣＯ相同，而小数部分则 通过一个ＤＡＣ将其转换成一个模拟电压，控制精调电 容阵列中的一个变容管，使其电容能够取到高低电容状 态的中间值，从而减小单位开关电容，提高调谐精度。 ＤＡＣ的位数越高，ＤＣＯ分辨率越高，调谐步进越小。由 于是模拟电压控制变容管工作，所以ＤＣＯ对ＤＡＣ输出 端的噪声较敏感，易恶化相位噪声。同时，增加ＤＡＣ将 增加系统的复杂度及功耗。 ＦＣＷＣ ＦＣＷＦＩ 二进制到热 ＦＣＷＦ厂 编码译码器 ＦＣ岍Ｆ 数模转换器 图５采用ＤＡＣ调谐的ＤＣＯ结构 ３．３ 改进精调阵列中单元电容 该方法的主旨是优化精调阵列中的单元电容结构， 通过合理的设计，减小△ｃ，。其特点是结构简单，易于实 现，无需增加额外电路，也不会增加系统功耗。近年来， 在这方面的研究取得了较大的成果，图６给出了几种改 进型的精调电容单元。 图６（ａ）所示精调电容阵列由控制字ＦＣＷ。，ＦＣＷ ， …，ＦＣＷ 控制，某一时刻只有一位有效。所有电容单 肿］ｔａｎｋｎ 暑 量 岔 百 （ｃ） （ｄ） 图６几种改进型精调单元电容 元ＭＯＳ管的长度都相同，而宽度则表示为： ＷＦ ０＋△Ｗ×ｉ （３） 其中， 为第 位ＭＯＳ管电容的宽度，△ 为相邻两位 ＭＯＳ电容宽度的差值。该结构的单位开关电容△ｃ则表 示为： △Ｃ＝△Ｃｏ×ｆ△Ｗ／Ｗｏ） （４） 可见该方案使△ｃ降为原值的△ ， 。，合理设计 △ 能使△Ｃ减小一个数量级。 图６（ｂ）所示电容单元由两对不同尺寸的ＰＭＯＳ管 构成，根据ＦＣＷ的不同值，Ａ、Ｂ对管分别工作于反型区 和耗尽区。用 和 分别表示Ａ、Ｂ晶体管的反型电 容，而 。和Ｃ肋分别表示Ａ、Ｂ晶体管的耗尽型电容。 用 和 分别表示ＦＣＷ高低电平状态下的单元电 容。 ＝ Ｃ觚 ＝ 。单位开关电容ＡＣ可以表 示为： △Ｃ＝Ｃ —Ｃ『埘 △ 一△ＣＢ （５） Ａ、Ｂ管对的尺寸差异越小，△Ｃ越小。通常可以将 Ｂ对管设计为最小尺寸，以获得最小的△Ｃ。图６（ｃ）、（ｄ） 采用了类似于６（ｂ）的结构，此处不再赘述。 ４一种改进型数字控制振荡器设计 ４．１设计方案 通过上文论述及分析可知，改进电容单元实现高频 率分辨率的方案简单，易于实现，且不增加额外的功耗。 基于对图６中改进型电容单元的深入分析，本文提出了 另外一种精调阵列的改进型方案，其结构如图７所示。 广 ｌ ｌ ｆ Ｉ ｌ ｌ Ｄ０Ｆ ＦＦＦ ｌ“２ｕ３Ｊ （ａ） 图７本文提出的改进型精调电容阵列 其工作原理为４位控制字经４一ｌ５热编码译码器译 码，控制驱动级电路，以驱动单元电容。由于每一位都控 制相同的单元电容，所以匹配性较高，控制线性度较好。 图８为该改进型电容单元的ｃ－ 特性曲线，适当设置 第３期 江平，等：高频率分辨率数字控制振荡器的设计方法 ・４３・ 后仿真结果列于表１。可以看出，考虑版图的寄生 效应后，ＤＣＯ谐振频率略有下降，调谐范围稍有减小， 相位噪声恶化２ｄＢ，调谐步进稍有减小。调谐步进的减 小，得益于调谐范围的减小，而调谐步数不变。 表１前后仿真结果比较 表２列出了本文设计方案与其它设计方案的比 较，表明本文设计方案确实能够在保证电路复杂度不 增加，相位噪声不恶化的基础上，提高频率分辨率。该 结构为进一步减小调谐步进提供了一种确实可行的 思路 表２本文设计方案与现有设计方案比较 ５结束语 本文以传统ＤＣＯ遇到的问题为切入点，明确指出 研究高频率分辨率ＤＣＯ的必要性。介绍并分析了高分 辨率ＤＣＯ的主流设计方法，并提出了一种改进型的 ＤＣＯ结构，仿真验证了该方案的可行性。以本文为基 础，后续还需要做更多的工作，进一步提高ＤＣＯ的频率 分辨率，使其能够广泛应用于通信、干扰、导航等各种系 统中。 参考文献 ［１】Ｈｕｎｇ Ｃ Ｍ，Ｓｔａｓｚｅｗｓｋｉ Ｒ Ｂ，Ｂａ￣ｏｎ Ｎ，ｅｔ ａ１．Ａ Ｄｉｉｇｔｌａ￣ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ＳＡＷ－ｌｅｓｓ Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒｓ ｉｎ Ｃｅｌｕｌａｒ Ｈａｎｄｓｅｔｓ １３１．ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｈｄ—ｓｔａｔｅ Ｃｉｒ— ｃｕｉｔｓ，２００６，４１（５）：１１６０—１１７０． 【２】 Ｓｔａｓｚｅｗｓｋｉ Ｒ Ｂ，Ｈｕｎｇ Ｃ Ｍ，Ｂａ￣ｏｎ Ｎ，ｅｔ ａ１．Ａ Ｄｉｇｉｔａｌｌｙ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ ｉｎ ａ ９０ ｎｍ Ｄｉｉｇｔｌａ ＣＭＯＳ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ Ｍｏｂｉｌｅ Ｐｈｏｎｅｓ［Ｊ１．ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｈｄ—ｓｔａｔｅ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ． ２００５，４０（１ １）：２２０３—２２１ １． 【３］ Ｆａｎｏｒｉ Ｌ，Ｌｉｓｃｉｄｉｎｉ Ａ，Ｃｔｓｔｅｌｌｏ Ｒ．Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｄｅｇｅｎｅｒａ— ｄｏｎ ｉｎ ＬＣ——ｙａｎｋ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ ｆｏｒ ＤＣＯ Ｆｉｎｅ——ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｔｕｎｉｎｇ ｍ．ＩＥＥＥ Ｊｏｕｍａｌ ｏｆ Ｓｏｈｄ—ｓｔａｔｅ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ，２０１０，４５ （１２）：２７３７—２７４５． ［４】 Ｙｏｏ Ｓ Ｓ，Ｃｈｏｉ Ｙ Ｃ，ＳｏｎｇＨＪ，ｅｔ ａ１．Ａ ５．８一ＧＨｚ Ｈｉｔｇｈ—ｆｒｅ～ ｑｕｅｎｃｙ Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｄｉｇｉｔａｌｌｙ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｏｓｃｉｌａｔｏｒ Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ Ｄｉｉｆｅｒｅｎｃｅ Ｂｅｔｗｅｅｎ Ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ ａｎｄ Ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅ Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｏｆ ｐＭＯＳ Ｖａｒａｃｔｏｒｓ Ｕ１．ＴＭＴＴ，２０１０，５９（２）： ３７５－３８２． 【５】 Ｗａｆｆａｏｕｉ Ｒ Ｅ．Ｌｅｅ Ｓ．Ａ ５．８ＧＨｚ ＬＣ—ｂａｓｅｄ Ｄｉｇｉｔａｌｌｙ Ｃｏｎ— ｔｒｏｌｌｅｄ ＯｓｃｉＨａｔｏｒ ｗｉｔｈ ２０ｋＨｚ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ａｎｄ ３７％Ｔｕｎｉｎｇ Ｒａｎｇｅ［Ｃ］／／ＥＳＳＣＩＲＣ．２００９：４３２—４３５． 【６】 Ｓｔａｓｚｅｗｓｋｉ Ｒ Ｂ，Ｈｕｎｇ Ｃ Ｍ，Ｌｅｉｐｏｌｄ Ｄ，ｅｔ ａ１．Ａ Ｆｉｒｓｔ Ｍｕｌｔｉ— ｇｉｇａｈｅｒｔｚ Ｄｉｇｉｔｌａｌｙ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ ｆｏｒ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ａｐ— ｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＴＭＴＴ，２００３，５１（１１）：２１５４—２１６４． ［７】 Ｐｉｔｔｏｒｉｎｏ Ｔ，Ｃｈｅｎ Ｙ，Ｎｅｕｂａｕｅｒ Ｖ，ｅｔ ａ１．Ａ ＵＭＴＳ－ｃｏｍ— ｐｌａｉｎｔ Ｆｕｎｙ Ｄｉｉｇｔａｌｌｙ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｏｓｃｉｌａｔｏｒ ｗｉｔｈ １００ＭＨｚ Ｆｉｎｅ—ｔｕｎｉｎｇ Ｒａｎｇｅ ｉｎ ０．１３ ｍ ＣＭＯＳ【Ｃ］／／ＩＥＥＥ ＩＳＳ— ＣＣ，２００６：７７０－７７９． ［８】 Ｐｏｋｈａｒｅｌ Ｒ Ｋ，Ｔｏｍａｒ Ａ，Ｋａｎａｙａ Ｈ，ｅｔ ａ１．３．６ ＧＨｚ Ｈｉｇｈｌｙ Ｍｏｎｏｔｏｎｉｃ Ｄｉ百ｔａｌｌｙ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ ｆｏｒ Ａｌｌ Ｄｉｏｔｌａ Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ［Ｃ］／／ＩＥＥＥ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｄｉｇｅｓｔ．２０１１：１—４． 作者简介 江平（１９８６一），男，硕士，助理工程师，现主要从事频率 合成技术研究工作。 杨德远（１９７９一），男，工程师，现主要从事频率合成技术、 侦察与接收技术方面的研究工作。 吴建辉（１９６６一），男，教授，博士生导师，东南大学国家专 用集成电路系统工程技术研究中心副主任，现主要从事模拟 射频集成电路技术研究工作。 程 明（１９７８一），男，工程师，现主要从事频率合成技术研 究工作。
