壓控振蕩器（VCO）廣泛應(yīng)用于無線接收、有線接收、數(shù)據(jù)通信、時鐘恢復(fù)等領(lǐng)域，常用來提供精確、穩(wěn)定的周期時變信號。VCO的主要性能指標(biāo)包括中心頻率及頻率調(diào)節(jié)范圍、頻率穩(wěn)定度、相位噪聲、調(diào)諧線性度、輸出振幅、功耗、信號純度等。伴隨著CMOS工藝以及通信技術(shù)領(lǐng)域的迅速發(fā)展，VCO設(shè)計在不斷向著高頻率、高帶寬、高穩(wěn)定度、高集成度、低相位噪聲、低功耗及低工作電壓的方向發(fā)展。壓控振蕩器主要分為兩類：環(huán)路振蕩器和LC振蕩器。環(huán)路振蕩器易于集成、調(diào)諧范圍大，但是其相位噪聲性能比LC振蕩器差。而LC振蕩器因其內(nèi)部LC諧振回路的濾波特性故能獲得更好的相位噪聲性能。這一特性在對相位噪聲性能要求越來越高的背景下，相比于環(huán)形振蕩器使得LC振蕩器具有更加廣泛的應(yīng)用。

    本設(shè)計對LC壓控振蕩器的電路結(jié)構(gòu)、調(diào)諧范圍、相位噪聲以及功耗等方面做了詳細(xì)的分析研究，基于ADS仿真軟件設(shè)計了一款寬調(diào)諧范圍、低相位噪聲、低功耗的互補交叉耦合型LC壓控振蕩器。
1 電路設(shè)計
1.1 工作原理
    振蕩器一般都由放大單元電路和實現(xiàn)正反饋的反饋網(wǎng)絡(luò)兩部分組成，若放大單元的傳遞函數(shù)用Ha(ω)表示，反饋網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)用Hf(ω)表示，則振蕩器的起振條件和平衡條件[1]可表示為：

    理想LC諧振腔中所儲能量在電容和電感中相互轉(zhuǎn)換而沒有損耗，故能無限振蕩下去。但是由于實際電容和電感都存在著寄生電阻，因此LC諧振腔中所儲能量在轉(zhuǎn)換過程中不可避免地要在寄生電阻上損耗一部分，如若沒有能量補充，則LC諧振腔將做幅度逐漸減小的阻尼振蕩而不能持續(xù)振蕩下去。一種解決方法就是利用負(fù)阻提供足夠能量補償LC諧振腔中的能量損耗從而使其能持續(xù)振蕩。
1.2 負(fù)阻實現(xiàn)
    負(fù)阻常由交叉耦合的NMOS對管或PMOS對管實現(xiàn)，常用結(jié)構(gòu)有三種：單NMOS結(jié)構(gòu)；單PMOS結(jié)構(gòu)；互補NMOS和PMOS結(jié)構(gòu)。相比于單MOS結(jié)構(gòu)，互補結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點：(1)互補結(jié)構(gòu)有兩對MOS對管提供負(fù)阻，故可用更小的電流補償電容、電感的損耗，降低了功耗。(2)互補結(jié)構(gòu)有更大的輸出振幅，故有更好的信噪比，且不需要后級緩沖電路。(3)可通過調(diào)整兩種管子的尺寸使其跨導(dǎo)相等（gn=gp）以得到更對稱的振蕩波形，從而降低相位噪聲[2]。不過互補結(jié)構(gòu)也有占用面積大、工作電壓高的特點，但高工作電壓也意味著有寬的電壓調(diào)諧范圍，即低的調(diào)諧增益K，這也進(jìn)一步優(yōu)化了相位噪聲性能?；谝陨戏治霰驹O(shè)計最終選定互補型結(jié)構(gòu)，其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    由上分析可知，若要在不惡化相位噪聲的基礎(chǔ)上降低功耗則須：(1)在滿足相位噪聲和振幅指標(biāo)要求的前提下適當(dāng)降低工作電壓和電流；(2)選擇合適的Ibias值使LC電路工作在電流限制區(qū)和電壓限制區(qū)的臨界處；(3)盡可能提高諧振腔中電容，尤其是電感的Q值以降低Rtank的值；(4)適當(dāng)提高諧振腔中L的值并降低C的值。
2 仿真結(jié)果
    根據(jù)上面分析設(shè)計的電路利用ADS軟件仿真，得到的相位噪聲曲線和f-v調(diào)諧曲線分別如圖2、圖3所示。
    結(jié)果顯示：在電源電壓Vdd=1.8 V時，調(diào)諧電壓范圍為0~1.8 V，中心頻點為2.42 GHz，調(diào)諧范圍為2.127 GHz~2.714 GHz,調(diào)諧范圍達(dá)到24.26%，調(diào)諧增益小于100 MHz/V，相位噪聲為-139.385 dBc/Hz@1MHz,靜態(tài)功耗為7.74 mW。

    本設(shè)計采用開關(guān)電容陣列對頻率離散粗調(diào)和MOS變?nèi)莨軐︻l率連續(xù)微調(diào)相結(jié)合的方法實現(xiàn)寬調(diào)諧，通過選用小電容系數(shù)比的MOS變?nèi)莨懿⒃谄鋬啥瞬⒙?lián)高Q值的MIM電容降低調(diào)諧增益Ｋvco，同時采用互補結(jié)構(gòu)，不但增加了調(diào)諧電壓的輸入范圍，而且使輸出波形更對稱，從而降低了相噪。另外，在尾電流、電源電壓以及調(diào)諧電壓等處進(jìn)行濾波，進(jìn)一步降低了相噪，并通過選擇合適的Ibias值在功耗和相位噪聲之間進(jìn)行了折中,最終設(shè)計出了一個寬調(diào)諧范圍低相位噪聲且低功耗的互補交叉耦合型LC壓控振蕩器，滿足當(dāng)前通信系統(tǒng)的要求，可廣泛應(yīng)用于各種射頻前端中。
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