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、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。考慮到工藝偏差、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ωres=1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]：

　　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。

　　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)置為二進制加權(quán)形式。VCO的振蕩頻率可表示為：

　　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，

　　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。

　　VCO頻率調(diào)諧（f-v）曲線的斜率即為調(diào)諧增益Kvco，得到：

　　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。

　　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]。

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rKvco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。

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。

參考文獻

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