基于CMOS工艺的低相噪宽带压控振荡器设计

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基于CMOS工艺的低相噪宽带压控振荡器设计

作者：曹旭

来源：《电子世界》2012年第03期

【摘要】采用CSMC 0.18μm混合信号工艺。设计了一款应用于频率综合器的单片集成宽带压控振荡器。电路采用互补交叉耦合结构，各部分都经过精心构架，如管子的尺寸，元件的布局，电流源的大小等等，以获得最佳的相位噪声性能。振荡器采用多段调节的方式，实现1.5～2.1GHz的宽带调谐。仿真结果表明，在电源电压1.8V的情况下，压控振荡器的中心频率为1.8GHz。中心频率附近（600kHz），相位噪声达到-121dBc/Hz，振荡器的工作电流为1.4mA。

【关键词】压控振荡器；频率综合器；相位噪声 1.引言

最近几年，随着无线通讯系统的迅猛发展以及半导体产业的兴盛，射频集成电路的研究得到了广泛重视。低成本，低功耗的无线收发终端的设计已成为一个重要的研究课题。频率综合器是无线收发器的一个重要模块，而压控振荡器（VCO）又是频率综合器中最核心的组成部分。目前，包括无源电感和无源电容在内的无源器件已经可以实现片上解决，采用CMOS工艺，将整个射频前端集成在芯片内，已经成为业界研究的热点。

本文分析了提出了一种压控振荡器的噪声优化方法。然后利用CMOS工艺，设计了一款能应用于802.11n无线传输标准协议收发器中的宽带压控振荡器，最后在Cadence软件中完成了版图后仿真。

2.压控振荡器的电路设计 2.1 电路构架选取

振荡器要实现宽频带的调节，主要可以选择环路振荡器或者是LC振荡器。环路振荡器虽然调节范围很大，但其相位噪声性能较差，不适合用在高灵敏度的收发机上。因此确定LC振荡器是实现设计的最佳选择。为了提高LC振荡器频率可调范围，我们加入电容开关阵列。固定电容阵列具有二进制权重，决定了接入谐振网络的电容数量，对频率进行粗调，从而得到分段的频率值。小变容管可以实现各段频率内的微调。对于固定的调谐范围而言，假如开关电容的数目越多，那么所需变容管的电容调节范围也就越小。采用这种方法结构比较简单，而且噪声抑制能力强，因而获得了广泛的应用。

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2.2 低噪声设计

VCO的相位噪声来自几个方面，比如尾电流源，交叉耦合对管，可变电容管的噪声，LC回路热噪声四个大方面。通过使用高Q值的电感电容可以降低LC回路的热噪声。引入电容开关阵列，可以减小可变电容的AM-to-FM噪声。开关管的电流噪声直接流入LC谐振回路，因此降低它们是难度很大的。根据Hajimir和Hee提出的相位噪声理论，相位噪声的表达式可以表示成为：

若要减小相位噪声，可以在一定程度上增加输出电压的摆幅。在输出电压的峰值处，我们注意到，ISF将会达到最小值，而在过零点时达到最大值。有源器件为回路提供能量补充，采用的是“一次交付的方法”。也就是说，在谐振峰值处，ISF达到最小值。因此，在每一个周期谐振回路的峰值处，开关晶体管可以打开注入一个电流脉冲，随后关断。这种做法的好处是尽可能大的减小了相位噪声受到开关晶体管的噪声电流影响。减小VCO相位噪声的关键在于，如何让电流在一个恰当的时间注入。在尾电流上并联了一个电容Cp。通过计算，我们可以得到尾电流的一个表达式：

令θ=45度，输出电压的波峰和尾电流的波峰将会重合。此刻，振荡器的输出相位对注入的噪声电流呈现不敏感状态，同时ISF值最小。而在输出电压过零点的地方，ISF达到最大值，开关晶体管不会把电流注入到LC回路中。VCO的相位噪声被大大降低了。大电容Cp的取值必须使得它的截止频率低于二次谐波的频率，该电容为高频谐波提供了一个交流地电位，同时减小了共模点上的电压波动。 2.3 LC振荡器的设计与仿真

本设计采用CSMC 0.18μm工艺库，设计电路如图1所示。它具有结构简单，相位噪声低，频率覆盖度好的优点。电路采用对称结构设计，可以在一定程度上抵消电源等器件带来的负面影响，提高系统性能。通过调整PMOS管和NMOS的尺寸，使得输出波形保持对称，很大程度上降低了相位噪声。

固定电容阵列采用的是高品质因素的MIM电容，具有较高的品质因素和较好的高频特性，寄生参数也较小。设计里我们采用二进制权重的两对开关电容阵列，即C4=2C2，C2=2C0。电感选用正方形片上螺旋电感。高品质因素的电感可以大幅优化相位噪声的性能，减少功耗。对于普通的正方形集成电感，虽然其品质因子并不高，但ASITTC对它提供了很好的模型描述。

通过Cadence软件中的Spectre工具对电路进行仿真，得到压控振荡器调谐曲线如图2所示。它的中心频率在1.8G，频率可调范围在1.52GHz-2.10GHz。在不同开关状态下切换时，频率有一部分重叠，满足系统的要求。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ad4f.html