當(dāng)前,，無(wú)線通信都在向低成本、低消耗的方向發(fā)展,。而個(gè)人無(wú)線通信由于受其電池容量,、壽命以及可攜帶性的影響，導(dǎo)致其設(shè)計(jì)要求更集中于低功耗,。頻率合成器做為無(wú)線通信中的核心電路,，其設(shè)計(jì)要求集中于高頻率轉(zhuǎn)換,、低功耗以及低相位噪聲。壓控振蕩器VCO(Voltage-Controlled Oscillator)做為鎖相環(huán)式頻率合成器的核心電路,，其高質(zhì)量的設(shè)計(jì)一直是研究的重點(diǎn),。
    本文利用TSMC 180 nm RF CMOS工藝設(shè)計(jì)了一款VCO芯片，介紹了VCO 電路設(shè)計(jì)和器件的設(shè)計(jì)與選取,，并給出了仿真結(jié)果,。
I VCO電路設(shè)計(jì)
1.1 電路結(jié)構(gòu)
    電感、電容和交叉耦合對(duì)管是構(gòu)成電感電容LC(Inductance-Capacitance) VCO的基本元素, 電感和總電容決定了振蕩頻率,，交叉耦合對(duì)管提供能量補(bǔ)償諧振回路中的能量損耗以維持持續(xù)振蕩,。
    VCO的設(shè)計(jì)是頻率、功耗,、芯片面積以及噪聲性能之間的折中,。目前，應(yīng)用最廣泛的集成壓控振蕩器主要有兩種類(lèi)型：LC調(diào)諧振蕩器和環(huán)形振蕩器,。其中,，NMOS管做為交叉耦合差分對(duì)管的LC調(diào)諧振蕩器在高頻電路中應(yīng)用很廣泛。在電流和寬長(zhǎng)比固定的情況下,，NMOS管具有更大的增益,，能為L(zhǎng)C_TANK提供更大的能量。PMOS管做為交叉耦合差分對(duì)管,，具有較低的固有噪聲,，但是其增益只是NMOS管的1/3~1/2，所以要想提供相同的負(fù)電阻,，就需要更大的寬長(zhǎng)比,，這將導(dǎo)致面積變大,，且增大了寄生電容,，影響頻率的調(diào)諧范圍?；パa(bǔ)型交叉耦合結(jié)構(gòu)是利用2個(gè)NMOS管和2個(gè)PMOS管分別組成差分對(duì),，該結(jié)構(gòu)增加了2個(gè)管，增加了熱噪聲,，而且增加了寄生電容,，影響調(diào)諧范圍。
    本設(shè)計(jì)的VCO電路采用NMOS交叉耦合差分對(duì)管電路,，其具體電路結(jié)構(gòu)如圖1所示,。使用NMOS管做為尾電流管，其諧振電路由L,、C1,、C2,、MN1、MN2和VAR1,、VAR2以及開(kāi)關(guān)陣列組成,。開(kāi)關(guān)陣列是由3組開(kāi)關(guān)控制不同的電容組成，實(shí)現(xiàn)8根調(diào)頻線,。

1.2 電路工作原理
    一個(gè)理想的電容電感諧振電路在頻率處,，電感的感抗jLω與電容的容抗1/jCω大小相等，符號(hào)相反,。此時(shí)電感電容回路在ω開(kāi)始振蕩[1],。實(shí)際上電感和電容都存在寄生的電阻，該電阻會(huì)消耗電路的能量,，這會(huì)使振蕩減弱,，最后停止。如果將一個(gè)與該電阻相等的“負(fù)阻”并聯(lián)在諧振電路,，則其整體電路的并聯(lián)電阻為零,，能量沒(méi)有消耗，振蕩將一直保持下去[2],。
    實(shí)際電路中都是由有源器件提供“負(fù)阻”,。在壓控振蕩電路中，一般使用交叉耦合差分對(duì)管提供“負(fù)阻”,。圖2(a)所示為使用NMOS管組成的交叉耦合對(duì)差分管,，其交流小信號(hào)等效電路如圖2(b)所示。

   
2.2 可變電容的選取
    在CMOS工藝中,，實(shí)現(xiàn)可變電容主要有4種結(jié)構(gòu)：PN結(jié)電容,、普通MOS管電容、反型MOS管電容以及累積型MOS管電容,。本設(shè)計(jì)選用累積型MOS管電容,，其在反型MOS管電容的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，減小了N阱和源漏端的寄生電容,，調(diào)諧范圍較大,，其線性度也得到了明顯的改善。
2.3 開(kāi)關(guān)陣列設(shè)計(jì)
    考慮到只使用上述可變電容的情況下,，其電路的調(diào)諧頻率較小,，而且在集成電路工藝的制造過(guò)程中由于工藝偏差、版圖寄生等情況會(huì)導(dǎo)致頻率范圍的偏移,，所以本設(shè)計(jì)采用了如圖3所示的開(kāi)關(guān)電容陣列,，以實(shí)現(xiàn)較大的可調(diào)范圍。

    該開(kāi)關(guān)陣列結(jié)構(gòu)使用了3組開(kāi)關(guān)，可以產(chǎn)生8根跳頻曲線,，大大地提高了頻率變化范圍,。根據(jù)其可變電容的調(diào)諧范圍以及頻率計(jì)算公式可以得到每個(gè)開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)中電容值的大小。其電容使用的是MIMCAP,，該電容具有較小的容值和較高的Q值,。
   
2.4 尾電流設(shè)計(jì)
    尾電流源一方面是VCO相位噪聲的主要貢獻(xiàn)者之一, 另一方面卻能抑制諧振槽能量的泄露, 提高諧振槽的Q值。本設(shè)計(jì)中選用NMOS晶體管為VCO提供偏置電流,，且與該NMOS管并聯(lián)一個(gè)大電容C0到地,。該電容的作用相當(dāng)于在交叉耦合管的源端加入一個(gè)低通濾波器，該電容只要滿足低通濾波器的截止頻率低于兩倍的諧振頻率,，就會(huì)將二倍頻以及其他偶次諧波噪聲濾除掉,，從而達(dá)到抑制相位噪聲的目的。而且,，根據(jù)HAJIMIN A[5]等的分析,，大電容C0可以降低MOS管溝道的熱噪聲，減少敏感時(shí)刻的噪聲源,，從而降低振蕩器的相位噪聲,。
3 仿真結(jié)果
    采用TSMC的0.18 ?滋m RF CMOS工藝?yán)L制振蕩器的版圖。版圖采用完全對(duì)稱(chēng)的形式,，降低了寄生參數(shù),，保證了器件的良好匹配性，有助于提高LC VCO的性能,。其振蕩槽內(nèi)部連線應(yīng)采用方塊電阻小且襯底寄生電容小的最頂層金屬,，引線應(yīng)盡量短，以減小電感和電容的寄生串聯(lián)電阻,，改善相位噪聲,。振蕩器控制信號(hào)線需采用同軸電纜的形式進(jìn)行布線，且遠(yuǎn)離其他信號(hào)線,，以防止信號(hào)耦合,。
    使用Cadence SpectreRF仿真工具對(duì)該VCO進(jìn)行后仿真。后仿真頻率變化曲線如圖4所示,，其中“000～111”分別表示3組開(kāi)關(guān)電容的開(kāi)啟和關(guān)斷狀態(tài),，“000”表示全關(guān)斷，“111”表示全開(kāi)啟,。由圖可知，其整個(gè)電路的振蕩頻率區(qū)間為10 GHz～14 GHz,。其相位噪聲曲線如圖5所示,，由圖可知，其在整個(gè)頻帶內(nèi)的最差相位噪聲為-112 dBC/Hz@1 MHz。VCO的工作電壓為1.8 V,，核心電路消耗電流為5 mA,，其功耗為9 mW。

    表1中給出了本文所做工作與近幾年相關(guān)研究在相應(yīng)頻段VCO的性能比較,，可以看出在相同工藝情況下,，本文的VCO實(shí)現(xiàn)了帶寬、核心電路功耗和相位噪聲之間的折中,。
    本文基于TSMC的0.18 μm RF CMOS設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種用于PLL頻率合成器中的低相位噪聲LC VCO,。該VCO采用NMOS交叉耦合差分結(jié)構(gòu)，使用開(kāi)關(guān)電容陣列技術(shù)增大頻率調(diào)諧范圍,，通過(guò)在功耗和相位噪聲之間選擇合適的尾電流值,，最終設(shè)計(jì)出一個(gè)寬調(diào)諧范圍、低相位噪聲且低功耗的NMOS交叉耦合型壓控振蕩器,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，該VCO的綜合指標(biāo)優(yōu)良，其最差相位噪聲為-112 dBC/Hz@1 MHz,，其最好相位噪聲為-119 dBC/Hz@1 MHz,，功耗為9 mW，實(shí)現(xiàn)的覆蓋頻段的調(diào)諧范圍為10 GHz～14 GHz,。
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