基于反饋控制原理與GPS馴服校頻技術頻標產生電路的精確度和穩定性主要取決于環路中的壓控振蕩器。壓控振蕩器(VCO)是一個電壓一頻率轉換電路，在環路中作為被控振蕩器，它的輸出頻率應隨控制電壓線性地變化，一個理想的壓控振蕩器其輸出頻率和輸入頻率的關系有：

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　　式中：KVCO為壓控振蕩器的增益。在實際應用中，壓控振蕩器的線性范圍有限，超出這個范圍之后，環路的參數就會變化較大，不利于環路設計。通常評價VCO的好壞主要有以下指標：

　　(1)低抖動或低相位噪聲：由于電路結構、電源噪聲以及地噪聲等因素的影響，VCO的輸出信號并不是一個理想的方波或正弦波，其輸出信號存在一定的抖動，轉換成頻域后可以看出信號中心頻率附近也會有較大的能量分布，即是所謂的相位噪聲。VCO輸出信號的抖動直接影響其他電路的設計，通常希望VCO的抖動越小越好。

　　(2)寬調頻范圍：VCO的調節范圍直接影響著整個系統的頻率調節范圍，通常隨著工藝偏差、溫度以及電源電壓的變化，VCO的鎖定范圍也會隨著變化，因此要求VCO有足夠寬的調節范圍來保證VCO的輸出頻率能夠滿足設計的要求。

　　(3)穩定的增益：VCO的電壓——頻率非線性是產生噪聲的主要原因之一，同時，這種非線性也會給電路設計帶來不確定性，變化的VCO增益會影響環路參數，從而影響環路的穩定性。因此希望VCO的增益變化越小越好。

　　常見的壓控振蕩器主要有反相器型VCO、差分對型VCO以及LC型VCO。

　　反相器型VCO的核心是由奇數個反相器組成，振蕩頻率由每個反相器的延時以及反相器的個數決定的。每個單元的延時時間與流過反相器的電流、電壓、工藝有關。這種結構的VCO優點是電路設計簡單，振蕩頻率可以被設計得很高，但是它對電源或地的噪聲比較敏感，相位抖動較大。

　　差分對型VCO主要由差分對延時構成，其環路構成如圖2所示。差分延時單元由壓控電流源、電阻負載以及NMOS管構成。通過控制壓控電流源的電流控制振蕩頻率。差分對型VCO的優點是差分信號可以抑制地噪聲或電源噪聲，相位抖動較小，缺點是帶寬有限，不適于高頻應用。

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　　LC型VCO的特點是：由于LC諧振腔的Q值很高，因而這種類型的VCO的相位噪聲很低，因而常用于對頻率抖動要求非常低的頻率合成器中。并且這種結構的工作頻率只與電感L和電容C有關，通過減小電感或電容并減小電路的寄生電容可以使得電路工作在很高的工作頻率下。

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　　圖3是常見的負跨導LC型VCO結構，從MOS管漏端反饋回來的信號通過另一個MOS管反饋到該MOS管的源端，假設MOS管的跨導為gm，則從圖3(a)虛線端向上看的阻抗是-2/gm，這是一個負阻，它是由兩個交叉MOS管正反饋所產生的。通常，如果要使得振蕩器振蕩，這個負阻應小于或等于LC諧振腔的等效并聯內阻，也就是說MOS管的跨導越大，負阻越小，電路越容易振蕩。在振蕩情況下，電路的振蕩頻率與L和C有關，即為

，電容C是壓控電容，通過調節電壓Vcont可以調節電容的大小，從而改變電路的振蕩頻率。圖3(b)，(c)的結構與圖3(a)相似，圖3(a)結構對電源噪聲的抑制能力較強，圖3(b)結構對地噪聲的抑制能力較強，圖3(c)兼有前兩種結構的優點，而且只需一個電感就能實現，這樣可以減小前兩種結構電感不對稱造成的電路共模抑制能力降低的問題。相對于前面兩個電路，這個電路也有缺點，即該電路有2個電流源，因而電源噪聲較大。

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　　圖4是一種差分結構的LC型VCO，假定NMOS與PMOS具有相等的跨導gm，則這種結構的負阻為～1/gm，比圖3結構的負阻減小1/2，由于

，如果要使得圖4和圖3兩種結構具有相同的負阻，那么圖4結構所需的電流只有圖3的1/4，因而圖4結構更適于低功耗設計。

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　　壓控電容可以由CMOS中的二極管的結電容來實現。由于結電容與二極管兩端的電壓有關，通過控制這個電壓就能控制結電容的大小。LC型VCO的頻率調節范圍與壓控電容有關，通常由于工藝限制，二極管的結電容變化在50%以內，相應的VCO的頻率調節范圍只有10%左右。因而采用這種結構的環路的頻率調節范圍有限，需要采用其它的輔助方法才能擴大頻率的調節范圍。頻率鎖定范圍也會影響VCO的增益，鎖定范圍越大，VCO的增益越大，而VCO增益越高，振蕩器的輸入噪聲就越大，這是因為在控制電壓上有個較小的噪聲干擾就會引起較大的VCO頻率變化，因而VCO的調節范圍和相位噪聲間要折中確定。