CMOS VCO的架构

VCO是这样一个器件，当控制电压Vcont从V1变化到V2时，VCO的输出频率从w1变到w2，如下图所示.

其中，曲线的斜率称为Kvco，称为VCO的增益(gain)或者灵敏度(sensitivity)，单位为rad/Hz/V。而且希望这个Kvco在整个调谐范围内变化不要太大。

用一个等式，表征VCO的这个特性，即为：

为了能够对LC振荡器的频率进行调谐，则LC谐振器的谐振频率需要改变。

想让电感随着电压变化是很难的，所以就考虑让电容随着电压变化。

(1) 架构1

如下图所示的VCO架构，变容管Mv1和Mv2与谐振器并联。

这边变容管的栅极与振荡器的结点(X和Y)相连，S/D极与Vcont连接。这样可以避免X/Y结点与变容管中n-well与substrate之间的电容连接。

这句话是什么意思呢？看一下下图，就知道了。

变容管Mv1和Mv2的栅极的平均电压为VDD。当Vcont从0V变化到VDD时，VGS从VDD变化到0，始终为正值。

所以变容管，在上述架构中，变化范围取正值的那一段。

所以，当VGS从VDD变化为0时，即Vcont从0V变化到VDD时，变容管的容值从Cmax降为Cgs(vgs=0)。

此时，VCO的振荡频率可以由下式表示。

上述架构中的C1，虽然很想把它踢出去，因为它降低了VCO的频率调谐范围。

但是，对它无可奈何。这是因为，它代表的是管子M1和M2的寄生电容，电感的寄生电容，下一级的输入电容等。

为什么C1的存在会降低VCO的频率调谐范围呢？

一般Cvar都是C1的一小部分，所以假设一下，Cvar的变化范围为0.1C1~0.2C1，则此时频率的变化比值为1.04.

而如果没有C1的存在的话，则频率的变化范围为1.4。

但是上述架构中，有两个问题：

(1) 当Vcont接近于0V，而VX和VY的输出大于VDD，也就是处在正弦波的正半轴，此时变容管的Vgs要大于VDD，也就是说变容管处于一个过压的状态；

(2) 只用到了变容管一半的调谐范围，另一半被浪费了。

差分电感的Q值要优于单端电感，所以上述架构中的L1和L2可以用差分电感来实现。电感的对称点(中心抽头)与VDD两连。有时候进行电路分析时，为了简单起见，会省略中心抽头的连接。

(2) 架构2

上面讲到的架构中，变容管的调谐范围硬生生地被浪费掉了一半。那怎样才能把那一半也用起来呢。

改架构，让变容管两端的电压可正可负。

如下图所示，把尾电流源去掉，改用top电流源，就是把电流源放在管子的漏极端。

先计算X和Y结点处的共模电压，即无振荡时的直流电压。

当不考虑交流，只考虑直流特性时，L1和L2短路，M1和M2完全对称，分摊电流源IDD，即每路的电流为IDD/2。

VGS>Vth,VGD=0<VTH,M1和M2均工作在饱和区。

此时，可以选择合适的MOS管尺寸，使得X和Y结点的共模电压为VDD/2左右。这样，当变容管的调谐电压Vcont从0变化到VDD时，变容管两端的电压从VDD/2变化到-VDD/2，基本能够用上变容管的整个调谐范围。

把尾电流源改成顶电流源，虽然调谐范围变大，但是相噪也会恶化。

假设两种电流源的电流都变化△I。

对于尾电流源而言，由于X和Y结点直接通过电感与VDD相连，而电感的ESR很小，假设为rs，则 △VCM=(△I/2)rs.

对于顶电流源而言，为△VCM=(△I/2)(1/gm)。这由MOS管工作在饱和区时的小信号模型公式△I=gm△Vgs得到的。而1/gm>>rs，所以当电流源有噪声时，当其作为尾电流源时，对VCO整体相噪的影响小。(3) 架构3那如果又想要大的调谐范围，又想避免顶电流源对VCO相噪的影响，怎么弄呢？仍然延用尾电流源的架构，但是将变容管与X和Y结点之间通过电容隔开。如下图所示，并将图中Vb的电压设置为VDD/2，使得变容管两端的电压的变化范围为-VDD/2~VDD/2。

但是交流耦合电容的寄生参数会对VCO的性能产生影响，而且，Cs1和Cs2的值必须远大于Cmax(变容管能调谐到的最大电容)，否则还是会减小调谐范围。

另外，此种架构还有三点需要注意：

(1) R 1和R2 近似与谐振网络并联，所以其值的选择需要远大于Rp(tank的寄生电阻)

(2) Vb的噪声也会对变容管两端的电压产生影响，所以需要减小Vb的噪声

(3) R1和R2的噪声也会变容管两端的电压产生影响，进而影响VCO的相噪

(4) 架构4

另外一种使得CM输出电压为VDD/2的架构，如下图所示。

这种架构，是联合采用了交叉耦合NMOS对和交叉耦合PMOS对。

合理选择MOS管的尺寸，可以使得X和Y结点的共模电压为VDD/2，从而最大化调谐范围。

而且，这种架构还有一个重要的优点，就是在相同的偏置电流和电感设计下，其电压幅度输出是单纯的尾电流源架构的2倍。

不过这种架构也有缺点：

(1) 为了使得|VGS3|+VGS1+VISS=VDD，PMOS管必须很宽，则就会相当大的电容，从而限制调谐范围

(2) 尾电流源的噪声会影响共模输出电压，进而影响变容管的电容。