羅永雙，趙唯辰，林福江

(中國科學技術大學 信息科學技術學院，安徽 合肥 230026)

0 引言

現(xiàn)代的高性能無線收發(fā)機對其中的正交本振信號的相位噪聲和相位精度的要求極為苛刻[1]。因為不滿足性能的相位噪聲可能導致干擾信號混頻到有用信號的頻帶從而對有用信號產(chǎn)生干擾。正交信號的相位精度可以用相互正交的兩路信號偏離90°相位差的相位誤差來衡量。較大的相位誤差可能導致差的鏡像抑制性能，從而增加了誤碼率。

通過兩個相同的振蕩器的耦合獲得正交信號是一種常見的方法。在同樣的功耗下，相對于并聯(lián)耦合正交振蕩器[2]，串聯(lián)耦合正交振蕩器[3]不僅可以獲得更好的相位噪聲性能，并且其輸出正交信號具有較高的相位精度。本文提出了一種改進的串聯(lián)耦合正交振蕩器。通過抑制振蕩器中的部分低頻噪聲貢獻的相位噪聲并且提高電感電容諧振腔的Q值，該改進的正交振蕩器相較于傳統(tǒng)的正交振蕩器具有更好的相位噪聲性能。

1 傳統(tǒng)串聯(lián)耦合正交振蕩器

傳統(tǒng)串聯(lián)耦合正交電感電容壓控振蕩器(Series-coupled Quadrature LC Voltage-Controlled Oscillator,SQVCO)的電路原理圖如圖1所示。其中，MOS管Ms1～Ms4是為振蕩器中有損耗的LC諧振腔提供負電阻的開關管，MOS管Mc1～Mc4是為左右兩個結構完全相同的振蕩器提供耦合路徑的耦合管。

圖1 傳統(tǒng)SQVCO電路原理圖

由于SQVCO中兩個振蕩器的結構完全相同，唯一的區(qū)別只是兩者的工作狀態(tài)相差90°的相位差，因此為了簡化分析，本文主要分析左邊一個振蕩器。假定VQ+的相位滯后VI+的相位90°，那么SQVCO的輸出電壓如式(1)所示。

(1)

式中，A是SQVCO輸出電壓的幅度，φ=ω0t是輸出電壓的相位，ω0是輸出電壓的振蕩頻率。

若不考慮振蕩器中的噪聲，圖2所示為一個振蕩周期中SQVCO輸出電壓以及Ms2、Mc2漏源電流波形圖[4]。

圖2 SQVCO輸出電壓電流波形圖

根據(jù)文獻[4]中的分析可知，偏置電流源I0在半個周期內(-π<φ<-π/4或者3π/4<φ<π)流入Ms1、Mc1組成的左邊支路，在另半個周期內(-π/4<φ<3π/4)流入Ms2、Mc2組成的右邊支路。如圖2(a)所示，當VQ+上升至VQ+=VY+VTH時，I0從左邊支路切換到右邊支路。其中，VTH為MOS管的閾值電壓。如圖2(b)所示,當VQ-上升至VQ-=VX+VTH時，I0從右邊支路切換到左邊支路。所以電流在左右兩支路的切換時間并不在輸出電壓交流分量的過零點處。這一特性與單個振蕩器不同。故在傳統(tǒng)SQVCO中注入LC諧振腔的電流與輸出電壓存在45°的相位差。

為了得到Mc2的低頻噪聲對振蕩器相位噪聲的影響，采用一個與Mc2的柵極串聯(lián)的噪聲電壓vn表示Mc2的低頻噪聲(見圖1)。圖3所示為考慮噪聲電壓vn后的SQVCO輸出電壓電流波形圖。

圖3 考慮噪聲時SQVCO輸出電壓電流波形圖

從圖中可以看出，vn不會影響I0從右邊支路切換到左邊支路的時間，但會使I0從左邊支路切換到右邊支路的時間提前(或者滯后)。由于當Mc2的柵極電壓等于VI-時，I0從左邊支路切換到右邊支路，因此在I0切換時滿足如下關系：

VQ++vn=VI-

(2)

將式(1)代入上式可以得到：

VDD+Asinφ+vn=VDD-Acosφ

(3)

當不考慮振蕩器中的噪聲時，vn=0，根據(jù)上式可解得無噪聲時I0切換時的相位(記為φ1)為：

(4)

考慮噪聲vn時，可解得I0切換時的相位(記為φ2)為：

(5)

所以由于Mc2的低頻噪聲vn導致的噪聲電流脈沖寬度為：

(6)

于是，vn會使得在注入LC諧振腔的電流中產(chǎn)生一個單個周期內均值不為零的噪聲電流。根據(jù)Hajimiri的相位噪聲理論[5]可以知道，Mc2的低頻噪聲會轉換為相位噪聲。

2 交流偏置的串聯(lián)耦合正交振蕩器

圖4所示為本文提出的交流偏置SQVCO的電路原理圖。該振蕩器是在傳統(tǒng)的SQVCO的結構上加入了由CB、RB、VB組成的偏置電路。

圖4 交流偏置SQVCO的電路原理圖

這樣的結構使得振蕩器中開關管Ms1～Ms4的柵極直流偏置電壓從傳統(tǒng)結構中的VDD變?yōu)榱薞B。通常VB取值等于VODs+VTH+VOD0。其中，VODs為開關MOS管Ms1、Ms2的過驅動電壓，VOD0為偏置電流源MOS管Mb1的過驅動電壓。Ms1、Ms2的過驅動電壓較小。所以可以近似認為VB≈VTH+VOD0。以下就針對該交流偏置SQVCO的主要性能進行討論。

2.1 耦合MOS管的低頻噪聲

在交流偏置SQVCO中，VB近似等于VTH與偏置電流源MOS管Mb1的過驅動電壓之和。所以，當Ms2的柵極電壓大于VB時就會使得Ms2的工作狀態(tài)從截止變?yōu)閷?，使得I0從左邊支路切換到右邊支路。也就是說，當VI+上升至VI+=VDD時，Ms2從之前的截止變?yōu)閷顟B(tài)，I0從左邊支路切換到右邊支路。注入LC諧振腔的電流與振蕩器的輸出電壓的波形如圖5所示。從圖中可以看出兩者的相位差較小，接近零?？梢哉J為在Ms1、Mc1組成的左邊支路(Ms2、Mc2組成的右邊支路)的電流與輸出電壓VI+(VI-)的相位近似相等。于是，可以認為在當VI+上升至VI+=VDD時，I0從左邊支路切換到右邊支路。而當VI-上升至VI-=VDD時，I0從右邊支路切換到左邊支路。所以在交流偏置SQVCO中，I0在左右兩支路間的切換時間由輸出電壓VI+、VI-決定，這與傳統(tǒng)SQVCO中I0的切換時間不同(由VQ+、VQ-決定)。

圖5 交流偏置SQVCO輸出電壓電流波形圖

與傳統(tǒng)SQVCO中分析Mc2的低頻噪聲對相位噪聲的影響相同，本文也采用一個與Mc2的柵極串聯(lián)的噪聲電壓vn表示Mc2的低頻噪聲(如圖4所示)。由于該噪聲電壓不會影響Ms1、Ms2的柵極電壓，因此也就不會影響I0在左右兩支路間的切換時間。此時注入LC諧振腔的電流不變。也就是說，Mc2的低頻噪聲不會轉換為相位噪聲。

2.2 相位噪聲

在傳統(tǒng)SQVCO中，注入LC諧振腔的電流與輸出電壓存在45°的相位差。這一相位差是通過LC諧振腔的工作頻率偏離其諧振頻率進行補償?shù)摹Ｋ栽趥鹘y(tǒng)SQVCO中，LC諧振腔的Q值較低。

在交流偏置SQVCO中，注入LC諧振腔的電流與輸出電壓的相位差較小。這樣LC諧振腔的工作頻率接近其諧振頻率。所以在交流偏置SQVCO中LC諧振腔比傳統(tǒng)SQVCO中LC諧振腔具有更高的Q值。

根據(jù)LESSON D B的相位噪聲理論[6]，振蕩器中的相位噪聲可以表示為：

(7)

式中，Psig為振蕩信號的能量，Q為諧振腔在工作頻率下的Q值，Δω為偏離振蕩器輸出頻率的角頻率。由上式可知，諧振腔Q值越高的振蕩器，其相位噪聲越低。所以交流偏置SQVCO的相位噪聲性能優(yōu)于傳統(tǒng)SQVCO。

3 仿真結果

在TSMC 180 nm CMOS工藝下，本文設計了一個2.34 GHz～2.60 GHz的交流偏置SQVCO。其電路原理圖由圖4所示的核心振蕩器部分與圖6所示的實現(xiàn)頻率調諧的可變電容電路和3比特數(shù)字控制的開關電容部分組成。該核心振蕩器的LC諧振腔由電感值為3.1 nH，工作頻率下Q值約為12的三圈差分電感和0.87 pF的金屬-氧化層-金屬(Metal-Oxide-Metal,MOM)電容構成。開關MOS管Ms1～Ms4的寬長比為96 μm/ 180 nm。耦合MOS管Mc1～Mc4的寬長比為64 μm/180 nm。電源電壓為1.8 V。偏置電壓VB=0.75 V。

圖6 頻率調諧電路

圖7所示為SQVCO的頻率調諧曲線。從圖中可以看出振蕩器的頻率調諧范圍為2.34 GHz～2.60 GHz， 并且相鄰調諧曲線的頻率重疊接近50%。

圖7 頻率調諧曲線

圖8所示為SQVCO輸出頻率為2.58 GHz時的相位噪聲曲線。其中，黑色曲線表示交流偏置SQVCO的相位噪聲曲線，灰色曲線表示電路中各元件與交流偏置SQVCO相同的傳統(tǒng)SQVCO的相位噪聲曲線。從圖中可以看出在偏離振蕩器輸出頻率3 MHz處，交流偏置SQVCO和傳統(tǒng)SQVCO的相位噪聲分別為-140.1 dBc/Hz、-133.7 dBc/Hz。所以在3 MHz頻偏處交流偏置SQVCO的相位噪聲優(yōu)于傳統(tǒng)SQVCO 6.4 dB。

圖8 2.58 GHz時的相位噪聲

通常使用品質因子(Figure of Merit,FoM)[7]的高低來衡量振蕩器性能優(yōu)劣。其定義如下：

(8)

交流偏置SQVCO在2.58 GHz時耗約為11.2 mW。 根據(jù)上式可以得到其FoM值等于188.3 dBc/Hz。 表1為本文中提出的振蕩器的性能與近幾年文獻中不同振蕩器的性能對比。從表中可以看出本文中振蕩器的性能優(yōu)于其他振蕩器。

表1 性能對比

4 結論

本文提出了一種交流偏置的串聯(lián)耦合正交電感電容壓控振蕩器。通過給振蕩器中開關MOS管的柵極加入適當?shù)钠秒妷簻p小LC諧振腔中的相移，使得諧振腔的Q值提高。并且振蕩器中耦合MOS管的低頻噪聲到相位噪聲的轉換受到抑制。故在相同的功耗下，交流偏置的串聯(lián)耦合正交電感電容壓控振蕩器相位噪聲性能優(yōu)于傳統(tǒng)的串聯(lián)耦合正交電感電容壓控振蕩器，并且其相位誤差也較小。