基于DSP内嵌PLL中的CMOS压控环形振荡器设计

本文设计了一种应用于DSP内嵌锁相环的低功耗、高线性CM0S压控环形振荡器。电路采用四级延迟单元能方便的获得正交输出时钟，每级采用RS触发结构来产生差分输出信号，在有效降低静态功耗的同时．具有较好的抗噪声能力。 《基于DSP内嵌PLL中的CMOS压控环形振荡器设计》 本文重点探讨了在数字信号处理（DSP）芯片内部嵌入的锁相环（PLL）中，如何设计一款低功耗、高线性的CMOS压控环形振荡器（VCO）。在现代高性能DSP系统中，PLL扮演着至关重要的角色，它作为片内时钟发生器，能够实现相位同步和时钟倍频。其中，VCO作为PLL的核心组件，其性能直接影响整个锁相环的工作效果。 传统的VCO类型包括LC压控振荡器和环形压控振荡器。LC VCO具备低相位噪声和低功耗，但需要集成电感，占用较大芯片面积，且调谐范围有限。相比之下，CMOS环形振荡器以其大的频率调节范围、小的芯片面积和简单的制造工艺而受到青睐。本设计提出的CMOS环形VCO采用四级延迟单元，每级利用RS触发结构生成差分输出信号，既能方便地提供正交输出时钟，又能实现2MHz至90MHz的频率调节范围，同时保持较低的功耗，适应于DSP芯片的时钟系统需求。 VCO的设计关键在于实现输入电压与输出频率之间的线性关系。在理想情况下，VCO的特性函数应为线性的，即输出频率与控制电压成正比。实际中，VCO的非线性特性会降低锁相环的稳定性。因此，设计中通过调节电流源大小来改变电容的放电速度，以优化VCO的线性覆盖频率范围。 电路结构上，压控环形振荡电路由四个延迟单元串联，每级延迟为TD，形成45°的相位偏移。VCO的开启和关闭通过Venable控制，当Venable为高电平时，电路开始工作，产生连续的电压节点延迟振荡。每个延迟单元的电路采用了RS触发器，既降低了静态功耗，又提高了抗噪声性能。电流源M2和M5的电流大小受控制电压V影响，以此调节电容C1和C2的放电速度，进而控制振荡器的频率。 在仿真分析中，选用SMIC的0.35μm CMOS工艺模型，确保设计能够在实际工艺条件下实现。通过调整三输入与非门的翻转点Vs，平衡了线性频率范围和放电时间，最终选择2.6V作为最优值，兼顾了噪声容限、速度和面积等因素。 总体来看，该设计成功地结合了CMOS环形振荡器的优势，实现了低功耗、高线性和宽频率调节范围的VCO，对于提升DSP系统中的时钟性能具有重要意义。这一设计方案不仅适用于学术研究，也适用于工程实践，尤其是对时钟精度和效率有较高要求的嵌入式系统和SoC设计。