压控振荡器（VCO）是锁相环电路设计中关键的模块之 一，它的特性的好坏直接决定着整个锁相环电路的整体工作   质量。 压控振荡器的设计有许多要求，其中，相位噪声、调谐 范围以及功耗是其设计的重要指标。  在压控振荡器的设计 中，对于给定的工艺，对其设计过程中参数指标存在折中的 关系，高性能的压控振荡器要求有较低的相位噪声，较好频 率调节范围和合理的功耗。   在锁相环电路中，LC 振荡器和环形振荡器是很重要的 两种振荡器。 LC 振荡器的相位噪声要比环形振荡器好，并且 固有的有较好的调谐范围，集成电路中普遍采用的是交叉耦 合型 LC 振荡器。 它具有较低的相位噪声，良好的线性度，简 单的结构等优点，广泛应用于高频锁相环电路中，因此本设 计是基于 LC 振荡器基础上完成的^[1]。 在压控振荡器的设计过程中， 许多文章分别从理论、结 构、工艺等不同的方面分析了相位噪声，并叙述了改善相位 噪声研究中所取得的进展^[1-3]。 根据现有噪声相位模型来分析， 谐振网络的寄生电阻、交叉耦合管和尾电流源是交叉耦合型 LC 振荡器的主要相位噪声来源。 为获得良好的相位噪声性能，本设计还采用二次谐波滤 波技术来减小压控振荡器的相位噪声。 仿真结果表明，经过 二次谐波滤波电路的优化，有效地改善了压控振荡器的相位 噪声特性。



由上式可知，在选定的工艺条件下，振荡器工作于某一频率，决定其相位噪声的参数为：输出电压波形的幅度 A，谐
 
振网络的等效电阻 R，谐振网络的品质因数 Q，相位噪声系数
 
F，振荡频率 f₀。为了得到更好的相位噪声，需要对这些影响参数进行调整， 其中谐振的 Q 和电阻主要与电感的 Q 决定，主
 
要取决于器件所用的工艺。 输出电压波形的幅度主要与振荡电路的等效电阻和尾电流源（镜像电流源）有关，因此，增加尾电流源可以从一个方面减小振荡器的相位噪声，尾电流源的噪声， 通常采用电感电容滤波的方法改善。
 
2.3 二次谐波滤波技术
 
文中设计的压控振荡器采用差分结构，奇次谐波可以在差分电路中进行传播，因此振荡回路基频上的相位噪声不会受到奇次谐波上噪声的影响， 而偶次谐波通过共模通路流动，为了减小偶次谐波附近的噪声，给高次谐波提供一个交流地电位， 设计思路是采用在共模点并联一个大电容的方法，这样就减小共模点的电压波动，抑制了偶次谐波产生的噪声损耗。 设置并联电容值的原则是必须使二次谐波频率高于低通滤波器的截止频率，这样就能滤除二次谐波以上的偶次谐波。 这种设计方法可以有效地抑制谐波失真，使输出电压波形更加匀称。
 
此设计方法在一定程度上也有不足之处，电容的并联作用减小了高频偏置下的电流源输出阻抗，使振荡回路对电源电压的变化更加敏感。 为了避免谐振回路能量的损失，需要在共模点与偏置电流源管之间接一个电感，其理想的等效阻抗接近无穷大。 因此，在提高了共模点上高阻抗的同时，又降低了谐振回路的品质因数。 采用二次谐波滤波技术，不仅有效地抑制了偏置电流源噪声上变频到振荡器的相位噪声上，同时也降低了晶体管对振荡器的相位噪声的影响。
 
3 电路仿真和结果分析
 
以下是本文电路的仿真分析，图 3 为压控振荡器的输出瞬态波形，控制电压为 1.8 V 时，可以看出振荡器所需的起振

.图 6 为中心频率 2.0 GHz 附近的相位噪声曲线，可见，二
 
次 谐波滤波的方法将本文设计的压控振荡器的相位噪声在很大的范围内减小了，并且越是靠近振荡的中心频率，改善效果越明显，实现了在宽调谐范围内得到较低且相对稳定的相位噪声。 利用二次谐波滤波技术^[11]改进电路后，在 10 kHz
 
处的相位噪声为-48.824 dBc/Hz， 在 400 kHz 处的相位噪声分别为-141.109 dBc/Hz，在 1 MHz 处的相位噪声为-148.825 dBc/Hz，结果显示压控振荡器的噪声性能良好。
 
4 结 论
 
文中介绍了一种应用于锁相环电路中的 LC 压控振荡器，其核心电路是采用交叉耦合型负阻结构来实现的，为了