第10期 唐长文等：一种采用开关阶跃电容的压控振荡器（上）：调谐特性的理论分析 2019 通过(5)和(15)式计算得到. m≤3.5V,频率为785.8MHz,(2)3.13V≤ 4.1单端调谐曲线 Vm≤4.0V,且3.13V≤Vm≤3.5V,频率为 1007.7MHz;(3)1.5Vym1.87V,且1.0V≤ 为了验证第2节中单端调谐振荡器周期计算方 Vm.87V,频率为1007.7MHz;(4)3.5Vm 法的正确性，我们在HSPICE软件下仿真了图1(b) ≤4.0V,且1.0V≤Vm≤1.5V,频率为 电感电容串联谐振电路，电路参数分别是：L= 1591.5MHz.调谐斜坡区域包括：(1)20Vm≤ 10nH,Cmx=4pF,Cmn=1pF,Amn=0.5V.频率-电 3.13V,且3.0V≤ym3.5V,有效控制电压Va 压(fV)调谐曲线的计算结果与SPICE仿真的结果 单端调谐；(2)1.5Vm之.0V,且1.87Vm 如图7所示，图中可以看到公式与仿真实验结果完 3.0V,有效控制电压Vm单端调谐；(3)1.87V≤ 全吻合 Vm3.0V,且1.0Vm.87V,有效控制电压 L.7 Vmn单端调谐；(4)3.13Vm4.0V,且1.5V≤ -Calculation 16F +SPICE Vm≤3.13V,有效控制电压Vm单端调谐；(5) 1.5F 2.0Vm3.5V,且1.5Vm3.0V,有效控 制电压Vm和V眸共同调谐 L=10nH: '=2.5V fm=1.591GHz;/min-0.795GHz 0.9 C=1.0pF: C、-4.0pF 0.8 14 Amn=0.5V; 4m=1.0V 0. 12 1.82.02.22.42.62.83.03.23.43.63.8 Vctrl/V 1.0 0.8 图7FV调谐曲线 0.6 01.5 4.0 Fig.7 Oscillator tuning f-V curve 2.0 35 253035202530 Va/ /V 当压控振荡器的振幅很大，接近电源电压时，振 图8差分调谐振荡器的子V调谐曲线三维图 荡器的周期是最大周期Tmx和最小周期Tm的插 Fig.8 3D diagram of f-V tuning curves of a differenti- 值.压控振荡器的子Ψ调谐曲线，如图7，在振荡器 ally tuned L Coscillator 幅值范围之内，与有效控制电压Vr近似成线性关 有效控制电压V和V,共同调谐的斜坡区域 系.即使MOS管可变电容的CV曲线是阶跃的，压 的压控增益最小，其中全差分调谐曲线（频率-电压 控振荡器的fFΨ压控曲线仍然是线性的.文献[5] 三维图的对角线)如图9所示.图9中的实线为计算 中通常认为：缓变CV曲线会导致缓变f-Ψ曲线是 结果，十字交叉点为SPICE仿真的结果，可以看到 不正确的，因此MOS管CV曲线具有线性特性是 公式与仿真实验结果完全吻合 没有必要的 1.6 -Calculation 4.2双端差分调谐曲线 1s x SPICE 1.4 为了验证第3节中差分调谐振荡器周期计算方 法的正确性，我们在HSPICE软件下仿真了图4(b) 中的电感电容串联谐振电路.电路参数分别是：L= L=10nH: '2.5V 10n H,Cmax,n=2pF,Cmin,n=1pF,Caaxp=2pF,Cminp 0.9 n=1591Gz:n-0.795GHz Cmnn-0.5pF; =lpF,Amin=O.5V.在有效控制电压Vca和Vm分 C-2.0pF mp=2.0pF 别为1.5~4.0V,1.0~3.5V的条件下，频率-电压 Amn-1.OV 0.7205100内005,101内202530 调谐曲线如图8所示.整个频率-电压平面可以划分 Differential tuned voltage/V 为四个非压控水平区域和五个调谐斜坡区域.非压 图9差分调谐下V调谐曲线 控水平区域包括：(1)1.5Vm2.0V,且3.0V Fig.9 Differentially tuned f-V tuning curves第 10 期 唐长文等 : 一种采用开关阶跃电容的压控振荡器(上) :调谐特性的理论分析 通过(5) 和(15) 式计算得到. 411 单端调谐曲线 为了验证第 2 节中单端调谐振荡器周期计算方 法的正确性 ,我们在 HSPICE 软件下仿真了图 1 (b) 电感电容串联谐振电路. 电路参数分别是 : L = 10n H ,Cmax = 4pF , Cmin = 1pF , A min = 015V. 频率2电 压( f2V ) 调谐曲线的计算结果与 SPICE 仿真的结果 如图 7 所示 ,图中可以看到公式与仿真实验结果完 全吻合. 图 7 f2V 调谐曲线 Fig. 7 Oscillator tuning f2V curve 当压控振荡器的振幅很大 ,接近电源电压时 ,振 荡器的周期是最大周期 Tmax 和最小周期 Tmin 的插 值. 压控振荡器的 f2V 调谐曲线 ,如图 7 ,在振荡器 幅值范围之内 ,与有效控制电压 V eff 近似成线性关 系. 即使 MOS 管可变电容的 C2V 曲线是阶跃的 ,压 控振荡器的 f2V 压控曲线仍然是线性的. 文献[ 5 ] 中通常认为 :缓变 C2V 曲线会导致缓变 f 2V 曲线是 不正确的 ,因此 MOS 管 C2V 曲线具有线性特性是 没有必要的. 412 双端差分调谐曲线 为了验证第 3 节中差分调谐振荡器周期计算方 法的正确性 ,我们在 HSPICE 软件下仿真了图 4 (b) 中的电感2电容串联谐振电路. 电路参数分别是 :L = 10n H ,Cmax ,n = 2pF , Cmin ,n = 1pF , Cmax ,p = 2pF , Cmin ,p = 1pF ,A min = 015V. 在有效控制电压 V effn和 V effp 分 别为 115～410V ,110～315V 的条件下 ,频率2电压 调谐曲线如图 8 所示. 整个频率2电压平面可以划分 为四个非压控水平区域和五个调谐斜坡区域. 非压 控水平区域包括 : (1) 115V ≤V effn ≤210V ,且 31 0V ≤V effp ≤315V ,频率为 78518M Hz ; ( 2) 3113V ≤ V effn ≤410V , 且 3113V ≤V effp ≤315V , 频 率 为 100717M Hz ; (3) 115V ≤V effn ≤1187V ,且 110V ≤ V effp ≤1187V ,频率为 100717M Hz ; (4) 315V ≤V effn ≤ 410V , 且 110V ≤ V effp ≤ 115V , 频 率 为 159115M Hz. 调谐斜坡区域包括 : (1) 210V ≤V effn ≤ 3113V ,且 310V ≤V effp ≤315V ,有效控制电压 V effn 单端调谐 ; (2) 115V ≤V effn ≤210V ,且 1187V ≤V effp ≤310V ,有效控制电压 V effp单端调谐 ; (3) 1187V ≤ V effn ≤310V ,且 110V ≤V effp ≤1187V ,有效控制电压 V effn单端调谐 ; (4) 3113V ≤V effn ≤410V ,且 115V ≤ V effp ≤3113V , 有效控制电压 V effp 单端调谐 ; ( 5) 210V ≤V effn ≤315V ,且 115V ≤V effp ≤310V ,有效控 制电压 V effn和 V effp共同调谐. 图 8 差分调谐振荡器的 f2V 调谐曲线三维图 Fig. 8 3D diagram of f2V tuning curves of a differenti2 ally tuned L C oscillator 有效控制电压 V effn和 V effp共同调谐的斜坡区域 的压控增益最小 ,其中全差分调谐曲线 (频率2电压 三维图的对角线) 如图 9 所示. 图 9 中的实线为计算 结果 ,十字交叉点为 SPICE 仿真的结果 ,可以看到 公式与仿真实验结果完全吻合. 图 9 差分调谐 f2V 调谐曲线 Fig. 9 Differentially tuned f2V tuning curves 9102