一個典型的數字鎖相環結構如圖1 所示，振蕩器" title="數控振蕩器" target="_blank">數控振蕩器DCO（Digital-Controlled Oscillator）是其中最關鍵和核心的部分。數控振蕩器DCO 輸出了可變頻率的振蕩波形，決定了整個鎖相環的噪聲性能和功耗。數字時間轉換器
（Digital LoopFilter）代替了模擬環形濾波器來控制DCO，由與參考時鐘的相位差來控制DCO 輸出或高或低的振蕩頻率，輸出振蕩信號由負反饋送到數字時間轉換器，使相位差減小，最終讓輸出信號頻率與參考時鐘頻率一致，即達到相位鎖定。整個DCO 因此不再需要含有電容或電感，同時也減少漏電流和電源噪音的問題。
本文基于STMicroelectronics的90nm CMOS混合信號工藝，采用Cadence Virtuoso 設計軟件，使用Analog Environment 中的Spectre仿真器進行仿真。由于電路完全與數字集成電路工藝兼容，因此也可以采用諸如硬件描述語言來設計電路。
由32 級環形振蕩器構成的數控振蕩器DCO 在Cadence Virtuoso 中的仿真電路如圖3 所示，在本文的仿真中，是使用直流電壓作為控制DCO 各級環形振蕩器打開或者關閉的輸入信號。
圖3 32級的DCO結構仿真電路圖
電路中電源電壓VDD=1.2V，所有MOSFET 均采用9 0 n m 工藝庫中的標準電壓晶體管，S V T（Standard Vol tage Tr ansi st or ），其閾值電壓為Vthn=0.3V，|Vthp|=0.3V。當32級環形振蕩器逐級打開，數控振蕩器輸出波形的振蕩頻率也逐級上升，整個數控振蕩器的頻率調節范圍如圖4 所示。
圖4 DCO輸出頻率調節曲線
當32 級DCO中的18 級環形振蕩器打開的時候，DCO 的相位噪聲如圖5 所示。相位噪聲由Spectre 仿真器的pss 分析和pnoi se 分析測得。
圖5 打開18 級時的DCO相位噪聲
該32 級數控振蕩器的相位噪聲和功耗如表1 所示，隨著環形振蕩器逐級打開，相位噪聲和功耗都明顯上升，這是獲得高頻率輸出波形所付出的性能代價。先測得單個反相器的平均電流，測得各個打開的反相器平均電流均約為14 μ A，由下式可以得到電路的總功耗，式中N 為打開的環形振蕩器級數。
為了研究環形振蕩器級數對頻率調節范圍的影響，將數控振蕩器的級數減少至18 級或12 級，再分別測試其頻率調節范圍。三種不同級數數控振蕩器調節范圍的對比如圖6 所示，不同級數的數控振蕩器fmax 相等，但fmin 隨著數控振蕩器的總級數增加而減小，且KDCO 也變小，調節線性度更好。
圖6 不同級數數控振蕩器的頻率調節范圍
表1 數控振蕩器不同級打開時的相位噪聲和功耗
進一步測試器件尺寸對數控振蕩器性能的影響，當器件寬度Wn 和Wp 增加，反相器中的平均電流增加，可以輸出更高的頻率并減小電路中器件噪聲導致的相位噪聲，這對高性能電路是有意義的，但電路功耗也隨之增加。對于18 級數控振蕩器，保持電路中全部MOSFET 的溝道長度不變，同時增大圖2（b）中的NMOS 管M2、M3 的Wn和PMOS 管M0、M1 的Wp至原尺寸的1.5 倍后測得的頻率調節范圍如圖7 所示，全部環形振蕩器共18 級打開后的DCO 功耗 及相位噪聲如表2 所示。
表2 器件尺寸不同時測得的功耗及相位噪聲
圖7 器件尺寸不同時測得的頻率調節范圍對比
該數控振蕩器結構采用全靜態CMOS 邏輯電路來設計，獲得了線性度較好的頻率調節范圍，在90nm混合信號工藝條件下全DCO電路功耗在3mV左右，10MHz處相位噪聲低于-110 dBc/Hz，性能相比傳統LC 壓控振蕩器有過之而無不及，非常適合應用于高性能數字電路中。在用該數控振蕩器結構設計DPLL 時，應進一步增加環形振蕩器級數以提供線性度更好的可調輸出頻率范圍，并需要前置數字環形濾波器提供相配合的控制信號。