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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; H' ~3 `2 X' m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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基本工作原理
* [/ V' r. Q3 G& ?. E$ q3 r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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6 J& g% [8 h# {8 M" D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 c0 h! X; w  r8 f9 r( P- \% H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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6 J1 z7 q1 Q+ k- T& `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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; M/ p) C8 R1 v# ~: v1 y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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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
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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9 ]) W$ P- M0 Z+ V4 |5 g频率调谐机制
/ @8 X! L! {/ {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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8 f; w2 q0 ]& Z. s# f  s3 J7 ^4 I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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  b- y+ e" k+ s: h4 _% j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
# W& v: X, u  a! d* t4 G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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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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结论
' H2 e- c6 d! S- x# ~0 v3 e  e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。
2 ?4 \/ J/ h  {
参考文献
5 x- m+ G; I1 V5 N, D[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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, }% _5 g9 [1 y8 A* L深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。
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