唐學(xué)鋒

(湖州師范學(xué)院 信息工程學(xué)院，浙江 湖州313000)

低相位噪聲寬帶LC壓控振蕩器設(shè)計*

唐學(xué)鋒

(湖州師范學(xué)院 信息工程學(xué)院，浙江 湖州313000)

基于0.13 μm CMOS工藝，設(shè)計了一款低相位噪聲寬帶LC壓控振蕩器。采用開關(guān)電容陣列使 VCO在達(dá)到寬調(diào)諧范圍的同時保持了低相位噪聲。采用可變?nèi)蓐嚵刑岣吡薞CO頻率調(diào)諧曲線的線性度。仿真結(jié)果表明，在1.2 V電源電壓下，電路功耗為3.6 mW。頻率調(diào)諧范圍4.58 GHz-5.35 GHz，中心頻率5 GHz，在偏離中心頻率 1 MHz處相位噪聲為-125dBc/Hz。

壓控振蕩器；開關(guān)電容陣列；可變電容陣列

0 引言

壓控振蕩器（Voltage-Controlled Oscillator，VCO）是鎖相環(huán)中的重要組成部分，能夠提供頻率準(zhǔn)確、低相位噪聲的本振信號，它對鎖相環(huán)的性能甚至是整個射頻前端的性能都有著較大的影響。隨著無線通信網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，越來越多的射頻電路需要收發(fā)機能夠覆蓋很寬的頻率范圍，同時保持較低的相位噪聲性能，這無疑對壓控振蕩器的設(shè)計提出了更高的要求。

無線傳感網(wǎng)廣泛應(yīng)用于交通、節(jié)能、環(huán)境保護(hù)、家庭網(wǎng)絡(luò)、生物醫(yī)療等領(lǐng)域。本文針對 2.4 GHz頻段無線傳感網(wǎng)射頻收發(fā)機應(yīng)用，采用0.13 μm CMOS工藝，設(shè)計了一個低相位噪聲寬帶LC壓控振蕩器。采用開關(guān)電容陣列把需要覆蓋的頻率調(diào)諧范圍分成若干個子頻段，從而降低了VCO調(diào)諧增益（Kvco），減小了相位噪聲。同時采用可變電容陣列來提高頻率調(diào)諧曲線的線性度，減小Kvco的變化，提高鎖相環(huán)的穩(wěn)定性。本文設(shè)計的壓控振蕩器需覆蓋4.8 GHz～5.0 GHz頻段,輸出的差分信號將通過二分頻電路得到四路差分正交信號供收發(fā)機使用?？紤]到工藝偏差、寄生等影響，設(shè)計的目標(biāo)頻率范圍為4.6 GHz～5.3 GHz。

1 電路設(shè)計

1.1 電路結(jié)構(gòu)

在目前廣泛應(yīng)用的數(shù)模混合式鎖相環(huán)中,主流壓控振蕩器的實現(xiàn)主要有兩種結(jié)構(gòu)：環(huán)形壓控振蕩器和LC壓控振蕩器。環(huán)形振蕩器能獲得大的調(diào)諧范圍，易于集成，但是其相位噪聲性能不理想，在無線通信應(yīng)用中比較少。LC壓控振蕩器由于良好的噪聲性能已成功地應(yīng)用在窄帶無線通信收發(fā)機中。近些年來一些寬帶的CMOS LC壓控振蕩器相繼報道出來[1-3]，通過開關(guān)電容陣列和可變電容相組合，可以得到寬的調(diào)諧范圍并保持良好的相位噪聲性能。

本設(shè)計中，采用開關(guān)電容陣列和可變電容陣列相組合的電路結(jié)構(gòu)，并同時采用NMOS管做負(fù)阻管。電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。L是片上集成電感，NMOS管M1、M2構(gòu)成交叉耦合結(jié)構(gòu)，提供振蕩所需的負(fù)阻。M3、M4構(gòu)成電流鏡結(jié)構(gòu)，為VCO提供偏置電流。

1.2 振蕩原理

在LC壓控振蕩器中，通常采用負(fù)電阻的概念來分析振蕩原理。一個理想電感L和電容C組成的并聯(lián)回路會在頻率處諧振。實際上電感電容都存在寄生電阻，電阻會消耗回路的能量，使振蕩減弱最后停止。如果把一個與寄生電阻相等的負(fù)阻并聯(lián)在諧振電路，則振蕩回路會不停地振蕩下去。如圖2所示，RL表示由電感和電容引起的電阻損耗，RP表示由有源器件NMOS交叉耦合對提供的負(fù)阻。圖3是NMOS管交叉耦合對管及其小信號等效電路。忽略NMOS管的體效應(yīng)和溝道長度調(diào)制效應(yīng)，可以得到[4-5]：

圖1 VCO電路圖

圖2 使用有源電路提供負(fù)阻

圖3 交叉耦合差分對管及其小信號等效電路

如果兩個 NMOS管相同，即：gm1=gm2=gm，則：

當(dāng)有源器件足以補償電阻損耗時，即：RL-2/gm≥0時，LC壓控振蕩器能夠維持振蕩，此時 gm≥2/RL。

在實際芯片制造和使用過程中,由于存在溫度和工藝的變化，為了確保振蕩，在設(shè)計電路時，合理選擇 M1、M2的尺寸及偏置電流使gm為所需值的兩到三倍，以保證在各種工藝角和溫度下都能起振。

1.3 電感元件

根據(jù)D.B.Lesson的相位噪聲模型[6]：

QL為諧振回路的品質(zhì)因數(shù)，通過公式得知提高諧振回路的Q值可以降低相位噪聲。在目前的集成電路工藝中，片上電容的Q值要遠(yuǎn)大于片上電感的Q值，因此LC諧振回路的Q值主要由片上電感決定。要得到最小的相位噪聲，應(yīng)該采用工作頻段內(nèi)高Q值的片上電感。

本設(shè)計采用工藝庫中的差分平面螺旋電感，如圖4所示。差分平面螺旋電感相對普通平面螺旋電感的優(yōu)點是能夠利用差分電感內(nèi)部的耦合，用小的面積實現(xiàn)大的電感值。除了可以節(jié)省版圖面積外，還具有更高的Q值以及提高版圖布局的對稱性。

圖4 差分平面螺旋電感

1.4 開關(guān)電容陣列

使用一個比值(Cmax/Cmin）大的 MOS變?nèi)莨苣軌驅(qū)崿F(xiàn)大的頻率調(diào)節(jié)范圍，但是此時，壓控振蕩器的調(diào)諧增益Kvco很大，大的 Kvco會增大整個鎖相環(huán)系統(tǒng)的相位噪聲。本文采用開關(guān)電容陣列來將整個頻段劃分成若干個子頻段，如圖5所示。一條大范圍的頻率調(diào)諧曲線被分成4條小范圍的調(diào)諧曲線來實現(xiàn)，從而在保證頻率范圍不變的前提下減小了 Kvco。相鄰兩條頻率曲線之間要有一定的交疊范圍，才能保證頻率調(diào)諧的連續(xù)性。本文采用4 bits控制開關(guān)，即16個子頻段。開關(guān)電容陣列如圖 6所示，其中C是高品質(zhì)因數(shù)的MIM電容，W/L是開關(guān)MOS管的寬長比，S4-S1是控制位。每路電容值和開關(guān)MOS管的寬長比設(shè)置為二進(jìn)制加權(quán)形式。VCO的振蕩頻率可表示為：

圖5 頻率開關(guān)調(diào)諧原理

Cfix為固定電容，Cvar為可變電容，通過開關(guān)控制位 S4-S1來控制接入振蕩回路的固定電容值，從而得到多條調(diào)諧曲線。以一個控制單元為例，當(dāng)控制位為高電平時，對應(yīng)的固定電容接入振蕩回路，此時電容的品質(zhì)因數(shù)為：

Ron為開關(guān) MOS管的導(dǎo)通電阻，

圖6 開關(guān)電容陣列

當(dāng)控制位為低電平時，MOS管漏極寄生電容會影響調(diào)諧范圍。由式(7)、式(8)可知，要提高開關(guān)電容的 Q值需要減小導(dǎo)通電阻Ron，也就是增大開關(guān) MOS管的寬長比(W/L)。但大的寬長比會增加MOS管關(guān)斷時的寄生電容，從而影響電路的諧振頻率，因此需要折中考慮[7]。

1.5 可變電容陣列

可變電容限制了VCO的頻率調(diào)諧范圍。本文所使用的0.13 μm RF CMOS工藝中提供積累型MOS管可變電容和PN結(jié)可變電容兩種結(jié)構(gòu)。PN結(jié)可變電容的線性度高，但是品質(zhì)因數(shù)低，可調(diào)范圍(Cmax/Cmin)小。本文采用N型積累型MOS管可變電容，其優(yōu)點是品質(zhì)因數(shù)Q值高，變?nèi)莘秶脖容^大，但是線性度比較差。

Cvar為可變電容值，可見要減小 Kvco的變化就要提高變?nèi)莨蹸-V曲線的線性度[5]。本文將對MOS變?nèi)莨蹸-V曲線進(jìn)行仿真并對其線性度優(yōu)化。圖7是單個可變電容在三個不同偏置電壓下的C-V特性曲線，可見單條曲線的線性范圍比較小，這樣VCO不能完全利用0～1.2 V的調(diào)諧范圍。

圖7 不同偏置電壓下的C-V曲線

本文采用圖8所示的多偏置電壓變?nèi)莨荜嚵衼砀纳茊蝹€變?nèi)莨艿木€性度。CP為隔直電容，R是偏置電阻。這種結(jié)構(gòu)的效果是三個支路的C-V調(diào)諧曲線相疊加，合理選擇三個偏置電壓，可以增大C-V曲線的線性范圍，如圖9所示。在 0～1.2 V的調(diào)諧電壓范圍內(nèi)得到了較好的線性度，使得 VCO的 f-v曲線更加線性，Kvco變化更小，有利于鎖相環(huán)路穩(wěn)定[8]。

圖8 變?nèi)莨荜嚵?/p>

圖9 變?nèi)莨荜嚵械腃-V曲線

圖10 5 GHz子頻段（控制字0101）

2 仿真結(jié)果與分析

基于0.13 μm RF CMOS 1P6M工藝模型，使用安捷倫公司的射頻仿真軟件 Advanced Design System（ADS）對電路進(jìn)行優(yōu)化仿真。圖10為中心頻率5 GHz所在子頻段(開關(guān)電容控制字為0101)VCO的 f-v調(diào)諧曲線，可見采用變?nèi)莨荜嚵薪Y(jié)構(gòu)后，在0～1.2 V調(diào)諧電壓范圍內(nèi)實現(xiàn)了較好的線性度。圖11和圖12分別是使用變?nèi)莨荜嚵星昂髮vco的仿真，用單個變?nèi)莨軙r Kvco的變化范圍在30 MHz~156 MHz，在調(diào)諧電壓范圍內(nèi)變化達(dá)5倍多，這會使鎖相環(huán)的環(huán)路帶寬變化很大，從而影響環(huán)路的穩(wěn)定性。用變?nèi)莨荜嚵薪Y(jié)構(gòu)后Kvco的變化范圍在60 MHz/V~ 102 MHz/V，大大減小了在調(diào)諧電壓范圍內(nèi)的變化。圖13為本文所設(shè)計的VCO在中心頻率5 GHz處的相位噪聲仿真曲線，在 1 MHz頻偏處為-125 dBc/Hz，滿足低相位噪聲設(shè)計的要求。

圖11 使用變?nèi)莨荜嚵星暗腒vco

圖12 使用變?nèi)莨荜嚵泻蟮腒vco

3 總結(jié)

采用0.13 μm RF CMOS工藝設(shè)計了一款頻率覆蓋范圍為4.58 GHz～5.35 GHz的寬帶壓控振蕩器。使用開關(guān)電容陣列有效地減小了調(diào)諧增益 Kvco，降低了VCO的相位噪聲。采用可變電容陣列減小了Kvco的變化從而提高了鎖相環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該VCO相位噪聲性能良好，可以應(yīng)用到無線傳感網(wǎng)射頻前端。

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Design of wide-band LC VCO with low phase noise

Tang Xuefeng
（Huzhou University，School of Information Engineering，Huzhou 313000，China）

This paper presents a wide-band LC VCO with low phase noise based on 0.13 μm CMOS process.Switched capacitor array is included in this VCO that simultaneously achieve very wide tuning range and low phase noise performance.MOS varactor array is used in this VCO to linearize its frequency-voltage characteristic.The VCO consumes 3 mA from a 1.2 V supply.It operates with a wide frequency band from 4.58 GHz-5.35 GHz.The center frequency is 5 GHz and the measured phase noise is-125 dBc/Hz at 1 MHz offset.

voltage-controlled oscillator；switched capacitor array；varactor array

TN722.3

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.11.015

唐學(xué)鋒.低相位噪聲寬帶LC壓控振蕩器設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(11)：54-57.

英文引用格式：Tang Xuefeng.Design of wide-band LC VCO with low phase noise[J].Application of Electronic Technique，2015，41(11)：54-57.

2015-04-16）

唐學(xué)鋒（1980-），男，碩士研究生，實驗師，主要研究方向：模擬集成電路設(shè)計。

浙江省湖州市科技計劃項目（2014yz07）