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摘 要：锁相电路在多路LED驱动芯片中得到了普遍地应用，压控振荡器是锁相电路的关键组成部分。文中采用弛张振荡器的原理提出了一种电压调节范围宽、增益线性度高和具有极低功耗的压控振荡器(VCO)电路结构，并基于0.5μm的CMOS工艺对该VCO进行了设计。仿真结果表明在引入60Hz摆幅为0.5V的电源噪声的情况下，其频率抖动在2%以内，电路平均功耗在1mW左右，满足LED驱动的应用。
关键词：锁相电路；压控振荡器；调节线性度；频率抖动
近年来，LED凭借着节能、环保和长寿耐用等方面的优势成为继白炽灯、荧光灯和高强度气体灯之后的第四代光源[1]。由于LED具有发射光特性随着平均驱动电流而转移的性质，大多数LED驱动芯片设计采用PWM调光[2]。PWM调光信号必须在满足回应时间要求的前提下，在调光频率与对比度方面进行折中。一般来说调光频率越低对比度越高[3]。锁相电路因自身特点在多路LED驱动芯片中得到了普遍地应用，由锁相环时钟器提供LED芯片所需的调光频率，而VCO为锁相电路的重要组成部分，所以一个线性度好、功耗低的VCO对低功耗LED驱动芯片的性能具有重要影响。本文设计了一款用于LED驱动芯片的低频VCO电路，具有较低的功率耗散，增益线性度好且增益可调的特点。本文首先介绍了VCO的基本原理，然后对本文所提出的压控振荡的原理和微调增益线性度进行了分析，并通过HISPICE软件对电路进行仿真。
1 VCO的設计
1.1 基本原理
锁相技术是一种利用反馈技术实现频率和相位同步的技术，其主要作用是将电路输出的时钟与系统的参考输入时钟保持同步。当参考输入时钟的频率或相位发生改变时，锁相环会检测到这种变化，并且通过其内部的反馈系统来调节输出频率和相位，直到两者重新同步[4]。
其中压控振荡器是锁相电路的关键组成部分，在大多数应用要求振荡频率是“可调的”[5]，也就是说，其输出频率是一个输入的函数。这个输入经常为电压。一个理想的压控振荡器其输出频率是其输入电压的线性函数，如图2所示：
ωout=ω0+K0Vc(1)
这里，ω0表示对应于Vc=0时的截距，而K0表示电路的增益(单位为rad/V·s。频率可以达到的范围，ω2-ω1，被称为“调节范围”。
1.2 电路结构
通常从振荡电路的分类来看，一般分为谐波式振荡器和弛张振荡器两种。前者由于需要集成晶体与电感，在集成电路中实现有一定的难度，同时其输出频率不能够通过外部调节在大范围内变动，因此在现代集成电路设计中，更多的压控振荡器属于弛张振荡器[6]。本文所设计的压控振荡器采用的就是弛张振荡器的原理，电路结构如图3所示：
M1和M2管工作时分别产生电流IM1和IM2，两电流之和IA为电流镜的输入电流。
IM1=■(■)M1(VIN-IM1R1-VTH)2(2)
IM2=■(■)M2(Vbias-VTH)2(3)
IA=IM1+IM2(4)
式中μn为沟道载流子的迁移率，Cox为单位长度栅氧化层电容，VBIAS为一基准电压。
电容C1的充电电流为IC，对于一恒定的充电电流，由于电容电压不会产生突变，所以C1上的电压会随时间线性上升。当C1上的电压高于VH时，D触发器的R端置1，则Qn为1，因此VOUT也为1，而M3管开启，电容C1上的电荷开始通过R2、M3到地放电，则C1上的电压开始下降，当C1上的电压低于VL时，D触发器的S端置1，VOUT为0，M3管截止。IC继续给电容C1充电，C1上的电荷增多，继而电压上升。如此反复，VOUT端为高电平为1，低电平为0的方波。
IC·ton=C1·(VH-VL)(5)
ton为电容充电时间，即M3管导通时间
由于Ic相对于电阻R2和M3组成的通路的放电电流要小的多，所以放电时忽略Ic对电容的充电作用
根据零输入响应电容电压的公式
uC(t)=US(1-e■)(6)
其中τ=R2C1
b令US=VH，uC=VL，则可以得到电容放电时间toff。由此可得VCO的频率。
f=■(7)
当VIN为0时，VCO依然有频率输出因为VBIAS会使M2常开，所以电流IA始终不会为0。IM6，IM7，IM8分别为IA的镜像电流，而IC=IM6+IM7+IM8，所以IC也应为电流IA的镜像，数字信号VA与VB控制着M4和M5的开启和关断，从而控制电容充电电流IC的大小，继而改变VCO的输出频率。
调节线性度是描述压控振荡器的增益的稳定性。因为压控振荡器的增益直接与锁相环系统的稳定性相关，所以必须保证在整个调节范围内有高的线性度。若是KVCO变化大则会导致锁相环的失锁，VCO的输出只为高电平或是低电平。
在M1加上R1是为了引入负反馈，使IM1随VIN的变化更线性。一般R1越大线性度越好。由于版图面积和系统要求，R1一般选择在几百千欧左右。因为IM1是uA级，所以公式(2)可简化为
IM1≈(VIN-VTH)/R1(8)
在电路设计中，使时间常数τ尽量小，则相对于充电时间，放电时间可忽略，所以
f≈1/ton(9)
因此频率f与VIN成线性关系。
1.3 仿真结果
利用上华0.5μm CMOS工艺和HSPICE软件对这种设计方法进行了仿真验证。
如图4所示，曲线依次从上至下为VA=0，VB=0；VA=1，VB=0；VA=0，VB=1；VA=1，VB=1四种情况下VOUT的频率随输入电压VIN变化的仿真图。可看出在芯片所工作的输入电压1~4V间，该VCO的工作稳定。具有良好的线性度。
在相位锁定的状态下，如图5所示，(b)、(d)VA=0，VB=0；VA=1，VB=1两种情况下在锁相电路稳定的时，VCO在电源电压引入噪声时的频率抖动情况。两种情况下的频率抖动分别为：
4672.4×3.6957×10-6≈1.7%
102590×135.38×10-9≈1.4%
经仿真得出VA=0，VB=0；VA=1，VB=1两种情况下在锁相电路稳定的时，VCO的平均功耗分别为550.24μW，1.1352mW。
2 结束语
本文所设计的VCO具有结构简单，调节线性度高，功耗低等优点。由于引入负反馈电阻R1使增益更稳定，当给电源电压加上摆幅为0.5V，频率为60Hz的正弦信号噪声时，输出频率的抖动在2%以内，这个电路的功耗在1mW左右。此款VCO可广泛应用于低功耗，低频LED 驱动电路中。
参考文献
[1] 刘胜利 新型绿色照明LED电源驱动器 [J]. 电源世界，2011，44(2):389-392.
[2] Uwe Kopp高亮度LED调光技术 [J]. International Electronic Elements，2008，21(2)43-45
[3] Rich Rosen 开关模式LED驱动器的调光技术[J]. 电子产品世界，2009，40(10):778-781.
[4] Floyd M.Gardner.锁相环技术[M].姚剑清，译.北京：人民邮电出版社，2007
[5] Behzad Razavi.Design of Analog CMOS Integrated Circuits [M]. McGRAW-HILL INTERNATIONAL EDITION，2001
[6] 朱章华，来新泉，张艳维. 一种宽调节范围高线性度压控振荡电路的设计[J]. 电子器件，2007，37(6):34-37.
作者简介
文皓(1987-)，湖南杭州，在读硕士，主要方向为模拟IC设计。
收稿日期：2011-07-20
关键词：锁相电路；压控振荡器；调节线性度；频率抖动
近年来，LED凭借着节能、环保和长寿耐用等方面的优势成为继白炽灯、荧光灯和高强度气体灯之后的第四代光源[1]。由于LED具有发射光特性随着平均驱动电流而转移的性质，大多数LED驱动芯片设计采用PWM调光[2]。PWM调光信号必须在满足回应时间要求的前提下，在调光频率与对比度方面进行折中。一般来说调光频率越低对比度越高[3]。锁相电路因自身特点在多路LED驱动芯片中得到了普遍地应用，由锁相环时钟器提供LED芯片所需的调光频率，而VCO为锁相电路的重要组成部分，所以一个线性度好、功耗低的VCO对低功耗LED驱动芯片的性能具有重要影响。本文设计了一款用于LED驱动芯片的低频VCO电路，具有较低的功率耗散，增益线性度好且增益可调的特点。本文首先介绍了VCO的基本原理，然后对本文所提出的压控振荡的原理和微调增益线性度进行了分析，并通过HISPICE软件对电路进行仿真。
1 VCO的設计
1.1 基本原理
锁相技术是一种利用反馈技术实现频率和相位同步的技术，其主要作用是将电路输出的时钟与系统的参考输入时钟保持同步。当参考输入时钟的频率或相位发生改变时，锁相环会检测到这种变化，并且通过其内部的反馈系统来调节输出频率和相位，直到两者重新同步[4]。
其中压控振荡器是锁相电路的关键组成部分，在大多数应用要求振荡频率是“可调的”[5]，也就是说，其输出频率是一个输入的函数。这个输入经常为电压。一个理想的压控振荡器其输出频率是其输入电压的线性函数，如图2所示：
ωout=ω0+K0Vc(1)
这里，ω0表示对应于Vc=0时的截距，而K0表示电路的增益(单位为rad/V·s。频率可以达到的范围，ω2-ω1，被称为“调节范围”。
1.2 电路结构
通常从振荡电路的分类来看，一般分为谐波式振荡器和弛张振荡器两种。前者由于需要集成晶体与电感，在集成电路中实现有一定的难度，同时其输出频率不能够通过外部调节在大范围内变动，因此在现代集成电路设计中，更多的压控振荡器属于弛张振荡器[6]。本文所设计的压控振荡器采用的就是弛张振荡器的原理，电路结构如图3所示：
M1和M2管工作时分别产生电流IM1和IM2，两电流之和IA为电流镜的输入电流。
IM1=■(■)M1(VIN-IM1R1-VTH)2(2)
IM2=■(■)M2(Vbias-VTH)2(3)
IA=IM1+IM2(4)
式中μn为沟道载流子的迁移率，Cox为单位长度栅氧化层电容，VBIAS为一基准电压。
电容C1的充电电流为IC，对于一恒定的充电电流，由于电容电压不会产生突变，所以C1上的电压会随时间线性上升。当C1上的电压高于VH时，D触发器的R端置1，则Qn为1，因此VOUT也为1，而M3管开启，电容C1上的电荷开始通过R2、M3到地放电，则C1上的电压开始下降，当C1上的电压低于VL时，D触发器的S端置1，VOUT为0，M3管截止。IC继续给电容C1充电，C1上的电荷增多，继而电压上升。如此反复，VOUT端为高电平为1，低电平为0的方波。
IC·ton=C1·(VH-VL)(5)
ton为电容充电时间，即M3管导通时间
由于Ic相对于电阻R2和M3组成的通路的放电电流要小的多，所以放电时忽略Ic对电容的充电作用
根据零输入响应电容电压的公式
uC(t)=US(1-e■)(6)
其中τ=R2C1
b令US=VH，uC=VL，则可以得到电容放电时间toff。由此可得VCO的频率。
f=■(7)
当VIN为0时，VCO依然有频率输出因为VBIAS会使M2常开，所以电流IA始终不会为0。IM6，IM7，IM8分别为IA的镜像电流，而IC=IM6+IM7+IM8，所以IC也应为电流IA的镜像，数字信号VA与VB控制着M4和M5的开启和关断，从而控制电容充电电流IC的大小，继而改变VCO的输出频率。
调节线性度是描述压控振荡器的增益的稳定性。因为压控振荡器的增益直接与锁相环系统的稳定性相关，所以必须保证在整个调节范围内有高的线性度。若是KVCO变化大则会导致锁相环的失锁，VCO的输出只为高电平或是低电平。
在M1加上R1是为了引入负反馈，使IM1随VIN的变化更线性。一般R1越大线性度越好。由于版图面积和系统要求，R1一般选择在几百千欧左右。因为IM1是uA级，所以公式(2)可简化为
IM1≈(VIN-VTH)/R1(8)
在电路设计中，使时间常数τ尽量小，则相对于充电时间，放电时间可忽略，所以
f≈1/ton(9)
因此频率f与VIN成线性关系。
1.3 仿真结果
利用上华0.5μm CMOS工艺和HSPICE软件对这种设计方法进行了仿真验证。
如图4所示，曲线依次从上至下为VA=0，VB=0；VA=1，VB=0；VA=0，VB=1；VA=1，VB=1四种情况下VOUT的频率随输入电压VIN变化的仿真图。可看出在芯片所工作的输入电压1~4V间，该VCO的工作稳定。具有良好的线性度。
在相位锁定的状态下，如图5所示，(b)、(d)VA=0，VB=0；VA=1，VB=1两种情况下在锁相电路稳定的时，VCO在电源电压引入噪声时的频率抖动情况。两种情况下的频率抖动分别为：
4672.4×3.6957×10-6≈1.7%
102590×135.38×10-9≈1.4%
经仿真得出VA=0，VB=0；VA=1，VB=1两种情况下在锁相电路稳定的时，VCO的平均功耗分别为550.24μW，1.1352mW。
2 结束语
本文所设计的VCO具有结构简单，调节线性度高，功耗低等优点。由于引入负反馈电阻R1使增益更稳定，当给电源电压加上摆幅为0.5V，频率为60Hz的正弦信号噪声时，输出频率的抖动在2%以内，这个电路的功耗在1mW左右。此款VCO可广泛应用于低功耗，低频LED 驱动电路中。
参考文献
[1] 刘胜利 新型绿色照明LED电源驱动器 [J]. 电源世界，2011，44(2):389-392.
[2] Uwe Kopp高亮度LED调光技术 [J]. International Electronic Elements，2008，21(2)43-45
[3] Rich Rosen 开关模式LED驱动器的调光技术[J]. 电子产品世界，2009，40(10):778-781.
[4] Floyd M.Gardner.锁相环技术[M].姚剑清，译.北京：人民邮电出版社，2007
[5] Behzad Razavi.Design of Analog CMOS Integrated Circuits [M]. McGRAW-HILL INTERNATIONAL EDITION，2001
[6] 朱章华，来新泉，张艳维. 一种宽调节范围高线性度压控振荡电路的设计[J]. 电子器件，2007，37(6):34-37.
作者简介
文皓(1987-)，湖南杭州，在读硕士，主要方向为模拟IC设计。
收稿日期：2011-07-20