許 奔，丁 慶，王 鑫，馮軍正，吳光勝

（華訊方舟科技有限公司，廣東 深圳 518101）

0 引 言

VCO是收發(fā)機(jī)中關(guān)鍵的模塊之一，它用來作為收發(fā)機(jī)的本地振蕩器來下變頻，其性能的好壞，能直接影響收發(fā)機(jī)的性能[1]。近幾年來，許多設(shè)計技術(shù)用來改善VCO的相位噪聲性能。然而，CMOS工藝中片上螺旋電感固有的較低品質(zhì)因數(shù)仍然限制了VCO的性能。因此將多種改善VCO相位噪聲性能的技術(shù)手段綜合應(yīng)用，以實現(xiàn)較低相位噪聲性能是行之有效的方法。

本文采用開關(guān)偏置電流源和源極電容耦合技術(shù)來有效降低VCO的相位噪聲。該VCO已通過標(biāo)準(zhǔn)0.18 um 1P6M RF CMOS工藝流片測試驗證。結(jié)果表明，在電源電壓1.8 V下，測得輸出頻率范圍為2.435～2.771 GHz。當(dāng)控制電壓接地時，測得低頻偏處相位噪聲為-94.55 dBc/Hz@10 kHz。在整個頻率范圍內(nèi)，測得相位噪聲變化范圍為-123.7～-127.5 dBc/Hz@1 MHz。

1 理論分析

在CMOS VCO的設(shè)計中，常見有3種結(jié)構(gòu)：僅PMOS交叉耦合對結(jié)構(gòu)、僅NMOS交叉耦合對結(jié)構(gòu)、CMOS交叉耦合對結(jié)構(gòu)?；パa(bǔ)交叉耦合對結(jié)構(gòu)較為流行，主要是由于在相同電流消耗情況下，由于互補(bǔ)結(jié)構(gòu)能夠提高更大的跨導(dǎo)，產(chǎn)生的振蕩幅度也較大，意味著該結(jié)構(gòu)的相位噪聲也較優(yōu)[2]。而且互補(bǔ)差分結(jié)構(gòu)中，輸出信號限制在0到VDD之間，使得MOS器件能更安全穩(wěn)定工作；輸出波形的中間電平在VDD/2附近，能最大化輸出電壓擺幅。這些都有利于相位噪聲性能的優(yōu)化。

在LC VCO結(jié)構(gòu)中，噪聲源主要有：諧振回路、交叉耦合對管、尾電流源。諧振回路主要取決于片上無源器件的品質(zhì)因數(shù)。在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中，對片上螺旋電感進(jìn)行優(yōu)化、建模、流片驗證需要較長的周期，因此一般設(shè)計過程中，往往采用制造廠商提供的元器件，這樣仿真過程中，器件的模型文件也能準(zhǔn)確反映實際情況，有利于提高芯片流片的成功率。因此在設(shè)計諧振回路時，根據(jù)設(shè)計指標(biāo)如輸出中心頻率、輸出頻率范圍合理選擇片上螺旋電感和變?nèi)莨堋＝徊骜詈蠈苁怯脕硖峁┴?fù)阻來補(bǔ)償諧振回路的損耗，使得電路能持續(xù)正常工作。為了保證起振，負(fù)阻通常選擇損耗電阻的2～3倍。因此對于交叉耦合對管而言，優(yōu)化的方法是在保證負(fù)阻不變的前提下，微調(diào)交叉耦合對管的溝道長度和寬度，選取性能最佳值[3]。但是這往往也需要多次驗證并且不同的工藝變化趨勢也不盡相同。所以在設(shè)計過程中普遍選擇是取工藝允許的最短溝道長度。

因此能夠?qū)﹄娐愤M(jìn)行改造，優(yōu)化電路性能的，便集中在尾電流結(jié)構(gòu)的優(yōu)化上。尾電流晶體管中的噪聲（主要是低頻閃爍噪聲和二次諧波處的噪聲）通過變頻轉(zhuǎn)換進(jìn)入諧振回路，從而產(chǎn)生相位噪聲。

根據(jù)文獻(xiàn)[4]可知，晶體管的低頻閃爍噪聲產(chǎn)生的主要物理機(jī)理是晶體管中Si-SiO2界面存在陷阱，載流子被陷阱捕捉和釋放會導(dǎo)致晶體管電導(dǎo)的變化，從而產(chǎn)生噪聲。載流子的捕捉和釋放具有長期記憶特性，因此產(chǎn)生的噪聲處于低頻處。而且噪聲的大小通常與晶體管柵極偏置電壓相關(guān)。實驗表明工作在三極管區(qū)的晶體管產(chǎn)生的噪聲比工作在飽和區(qū)的晶體管要小。開關(guān)偏置晶體管技術(shù)就是在偏置晶體管的柵極設(shè)置周期變化的控制信號，強(qiáng)制晶體管中陷阱捕捉和釋放載流子具有相應(yīng)的高頻特性，從而降低低頻處的閃爍噪聲。若尾電流管的柵極偏置電壓具有諧振頻率的特性，則尾電流管中的低頻處閃爍噪聲降低，而諧振頻率基頻處增加。在VCO尾電流頻率轉(zhuǎn)換過程中，尾電流中基頻部分的能量被轉(zhuǎn)換到直流和二次諧波處，經(jīng)過LC諧振回路的濾波，對VCO輸出相位噪聲的影響可以忽略。

我們知道，采用較大尺寸的電流管，其漏源的過驅(qū)動電壓較小，增大了輸出電壓的擺幅，有利于獲得最可能低的相位噪聲，且較大尺寸的晶體管產(chǎn)生的閃爍噪聲也較低[5]。因此尾電流管可以采用較大尺寸的晶體管。但是這會在交叉耦合對管的源端引入較大的寄生電容，一方面降低了諧振回路的有載品質(zhì)因數(shù)，另一方面又增加了頻率變換增益，反而會引起VCO輸出相位噪聲惡化。當(dāng)然，插入噪聲濾波器是有效的技術(shù)[6]，可以較好地解決這個矛盾。只是該技術(shù)有兩個缺陷：需要額外一個片上電感，增大了芯片面積；插入的LC濾波器具有窄帶特性，若要實現(xiàn)寬帶濾波就需要電容陣列技術(shù)來輔助，增加了電路調(diào)節(jié)難度。

考慮到采用了開關(guān)偏置尾電流技術(shù)基礎(chǔ)上，可以通過在交叉耦合對管源端串接一個電容，消除共模結(jié)點(diǎn)，也就消除了變頻轉(zhuǎn)換增益，能在較寬的頻帶范圍內(nèi)實現(xiàn)相位噪聲的改善。直觀理解，選擇合適的電容，對于低頻噪聲信號而言，電容呈現(xiàn)高阻態(tài)，而對于高頻信號而言則表現(xiàn)為低阻通路[7]。

2 電路設(shè)計

如圖1所示為本文提出的電路原理圖。諧振回路由電感L、變?nèi)莨蹸var及固定電容Cfix組成；M1～M4構(gòu)成LC VCO的核心電路，形成互補(bǔ)交叉耦合對結(jié)構(gòu)；M5、M6為開關(guān)偏置的尾電流源，它們的柵分別被Vout+和Vout-控制；相應(yīng)的，M7、M8為開關(guān)偏置的頂電流源，它們的柵分別被Vout+和Vout-控制；電容Cs分別嵌入在交叉耦合對管的源端，形成源極耦合電容結(jié)構(gòu)。輸出緩沖器由開漏的NMOS管M9和M10實現(xiàn)，在測試PCB上利用貼片電感和電容構(gòu)成Bias-T的測試結(jié)構(gòu)與測試設(shè)備相連。

諧振電路的品質(zhì)因數(shù)主要取決于電感的Q值，因此選取片上螺旋電感時，以Q值為判定標(biāo)準(zhǔn)。電感采用八邊形螺旋電感結(jié)構(gòu)，電感值為1.52 nH，在2.5 GHz附近的Q值為18.9。變?nèi)莨懿捎美鄯e型MOS變?nèi)莨?，增加固定電容有兩個作用，一是設(shè)計時調(diào)節(jié)VCO輸出的中心頻率，二是增加了諧振回路中電容的等效品質(zhì)因數(shù)。

圖1 所提VCO電路原理

3 測試結(jié)果

該VCO采用標(biāo)準(zhǔn)0.18 um 1P6M RF CMOS工藝流片驗證，圖2為芯片的顯微照片，面積為0.6 mm×0.9 mm。電源電壓為1.8 V，當(dāng)控制電壓從0V到1.8 V時，輸出頻率范圍為2.423～2.764 GHz。圖3為VCO的相位噪聲頻譜圖，測試儀器采用Agilent的E4448A頻譜分析儀，在頻偏10 KHz時測得的相位噪聲為-94.55 dBc/Hz，在頻偏1 MHz時，相位噪聲為-127.24 dBc/Hz?？梢姡_關(guān)偏置電流源和源極電容耦合技術(shù)，能改善VCO的相位噪聲性能，特別是抑制了低頻偏處閃爍噪聲引起的相位噪聲。圖4為該VCO的輸出頻率特性曲線及1 MHz頻偏處的相位噪聲，在整個輸出頻率范圍內(nèi)，相位噪聲在-123.7～-127.5之間變化。為了綜合考慮VCO的性能優(yōu)劣，文獻(xiàn)[8]提出了FOMT的綜合指標(biāo)。它涵蓋了VCO的輸出中心頻率、輸出頻率范圍、相位噪聲、功耗4個VCO的核心指標(biāo)，其計算公式如式（1）所示。

其中，L{Δω}為載波ωo頻偏Δω處的相位噪聲，PDC為直流功耗（單位mW），TR為輸出頻率的調(diào)諧范圍（單位%）。通過測試數(shù)據(jù)，算得該VCO的FOMT為188.32 dB。

圖2 VCO芯片的顯微照片

圖3 VCO的相位噪聲

表格1給出了近幾年來采用CMOS工藝設(shè)計的VCO的性能比較，涵蓋了相位噪聲、芯片面積、輸出功率、振蕩頻率以及綜合衡量指標(biāo)。顯然，我們提出的VCO的綜合性能較優(yōu)。

圖4 VCO的輸出頻率及相位噪聲特性曲線

表1 各種VCO的性能比較

4 結(jié) 語

本文采用開關(guān)偏置電流源和源極耦合電容技術(shù)有效降低了VCO的閃爍噪聲引起的相位噪聲，在低頻偏處測得了較好的相位噪聲性能?；跇?biāo)準(zhǔn)0.18 um 1P6M RF CMOS工藝，電源電壓1.8 V時，輸出頻率范圍為2.423～2.764 GHz，當(dāng)控制電壓接地時，測得相位噪聲為-94.55 dBc/Hz@ 10 kHz及-127.24 dBc/Hz@ 1 MHz，功耗為7.56 mW，在整個輸出頻率范圍內(nèi)，相位噪聲在-123.7～-127.5 dBc/Hz@1 MHz之間變化，算得其FOMT為188.32 dB。