超宽带低相位噪声双模LC压控振荡器设计

别　梅,肖　巍

(长春师范大学，长春　130032)



工程与应用

超宽带低相位噪声双模LC压控振荡器设计

别梅,肖巍

(长春师范大学，长春130032)

采用可切换的跨导gm技术，基于TSMC 0.13 μm CMOS工艺设计了一种超宽带LC压控振荡器VCO。利用两个可交替工作的前后两级晶体管栅极偏置有源核心模块，使得VCO工作在两种不同的模式下。而且，鉴于后级模块中晶体管的栅极偏置，使得后级模块具有较高的跨导，进一步加宽了VCO的振荡频率。最终芯片测试结果表明：该LC VCO在功耗6.2 mW的前提下，振荡频率为4.1 GHz～6.2 GHz，在中心振荡频率5.15 GHz下，振荡范围高达40.8%，且相位噪声达到-121.5 dBc/Hz@1MHz。该VCO的芯片尺寸为0.56 mm×0.58 mm。

压控振荡器；超宽带；低相位噪声；双模

0　引　言

随着电子领域的快速发展，全球蜂窝移动市场对收发机的性能提出了越来越严格的要求，要求在一个芯片上收发机通过支持多频段和多模标准协议，与不同的网络系统兼容，鉴于此，蜂窝收发机需要具有较宽的频率工作范围，这就要求其中的压控振荡器(VCO)产生更大范围的本振频率[1]。虽然LC VCO可以达到较宽的振荡范围[2]，但是远不能满足蜂窝收发机系统的要求。

目前，已有多种展宽LC VCO调频范围的方法出现。例如，文献[3-5]提出的通过采用变压器或者开关电容的方法控制谐振回路的电感，可以使得VCO的调频范围得以显著的提高，但是电感的品质因数Q较低，导致了较差的相位噪声；文献[6]提出的数字开关电容频带分离技术，同样可以在一定程度上提高频带，但是该VCO的低频振荡受限于有源核心电路的开启增益，高频振荡受限于晶体管的寄生电容和可变电容，不能实现VCO调频范围的最大化；文献[7]在借鉴上述方法的基础上，提出了一种核心晶体管开关方法，该方法通过连接额外的核心晶体管来补偿开启增益的不足，然而，该VCO结构的输出电压摆幅较小，进而导致较高的相位噪声，并且PMOS管较大的寄生电容降低了VCO的最高振荡频率，限制了VCO的频率振荡范围。

本文设计并实现了一款新颖的嵌有可切换核心晶体管的超宽带LC VCO。通过控制前后两级电路之间的开关，增加电路的开启增益，进而降低VCO的低频振荡频率；而且，位于后级电路晶体管栅极的RC偏置电路在保持高跨导的前提下，降低了开关的尺寸，减小了VCO的负载电容，进而使得VCO的高频振荡频率提高。最终芯片测试结果表明，该LC VCO在较低的相位噪声下，振荡频率为4.1 GHz～6.2 GHz，振荡范围高达40.8%。

1　传统LC VCO

图1给出了典型NMOS型LC VCO的电路图，由于具有较低相位噪声的优点，该结构被广泛采用，然而，该结构的调频范围较小，现分析如下：

图1　NMOS型LC VCO电路图

1.1低频振荡频率

理论而言，理想的LC谐振回路在没有任何能量损耗的前提下，应该能够产生振荡。然而，由于实际的电感和电容具有能量损失，VCO需要嵌入有源电路产生能量用于补偿谐振回路的能量损耗。例如图1中，Rp用于模拟谐振回路的能量损耗，为了满足LC VCO电路振荡的开启条件，应满足[1]：

(1)

其中，α为电路的设计因子，在考虑到工艺不确定性的情况下，应使得α的值远远大于1；虽然Rp模拟了谐振回路的所有能量损耗，但是由于电感L的品质因数Qind远远小于其它元件的品质因数，使得Rp仍然主要取决于Qind的大小，因此Rp的表达式如下所示：

(2)

式中，fosc为振荡频率，L为LC谐振回路电感，利用品质因数的定义，可将式(2)进一步写为：

(3)

其中，Rs为电感的寄生串联电阻，由上式可见，随着振荡频率fosc的降低，Rp降低，因而振荡开启条件就变得越苛刻，以上表明低频振荡频率fosc,low受限于式(1)所示的开启状态，可被表示为：

(4)

1.2高频振荡频率

通常，LC VCO的振荡频率fosc定义为：

(5)

式中，Ctotal为VCO所有电容之和， 目前LC VCO包含的电容有谐振回路电容Cbank和可变电容Cvar，另外还包含有核心晶体管的寄生栅源间电容Cgs和寄生栅漏间电容Cgd，因而Ctotal的表达式为：

(6)

式(6)中，Cgs和Cgd是固定值，Cbank和Cvar是可变的用于控制振荡频率的大小。当Cbank和Cvar变大时，产生低频振荡频率，此时由于固定的寄生电容相对小得多，它们的影响可被忽略。另一方面，在高频振荡频率处，由于Cbank的较小值Cbank,min和Cvar的较小值Cvar,min很小，此时应该考虑固定寄生电容的影响，LC VCO高频振荡频率fosc,high可由下式计算而得：

(7)

因而，为了提高高频振荡频率fosc,high，需要通过优化核心晶体管的尺寸降低晶体管固有寄生电容Cgs和Cgd的大小。

2　双模LC VCO

如上所述，在传统LC VCO中，低频振荡频率和高频振荡频率相互影响、相互制约，为了保证低频振荡频率处VCO的振荡开启，取得较低的低频振荡频率，由式(4)可见应该加大核心晶体管的跨导，但是同时较大的寄生电容限制了高频振荡频率的提高。相反，如果为了降低寄生电容提高VCO的高频振荡频率，应减小晶体管的尺寸，然而此时不能满足VCO低频振荡频率的振荡开启条件。

为了克服传统LC VCO的缺点，本文提出了一种工作于双模状态下的VCO，如图2所示。该VCO包含有两对交叉耦合晶体管对，前级晶体管对Mpm、Mpp和后级晶体管对Msm、Msp，以及由Rb和Cb组成的RC偏置电路。前后级晶体管对通过传输门开关SW1、SW2和SW3连接。

图2　本文设计的双模LC VCO电路图

2.1双模VCO：高频模式HF和低频模式LF

图3(a)所示为VCO工作于HF模式下的示意图，在此模式下，VCO的工作原理与传统VCO相同，前后级电路之间的开关是断开的，因而前级电路信号不会传递到后级中，后级晶体管的寄生电容不会影响到此刻的振荡频率，此模式下的跨导gm,HM的表达式为[5]：

(8)

式中，μn为电子迁移率，COX为栅极单位面积栅氧化层电容，Wp/Lp为前级核心晶体管的栅极宽长比，Ib为VCO的偏置电流。

图3　VCO的两种工作模式

图3(b)所示为VCO工作于LF模式下的示意图，此刻前后级电路之间的开关是闭合的，LF模式下的跨导gm,LM的表达式为：

(9)

2.2相位噪声

在HF模式下，与传统VCO工作原理相同，改进的电路结构不会对VCO的相位噪声产生影响。在LF模式下，本文所设计的VCO增加了两个额外的噪声源：开关和RC偏置电路，然而由于开关位于核心晶体管的漏极处，不会降低谐振回路的品质因数，因而可以忽略开关对相位噪声的贡献[7]。在RC偏置电路设计中，RC的极点频率远远低于VCO的振荡频率，因而，在相位噪声分析中，可将电容Cb的影响忽略掉。利用Leeson公式，双模VCO的相位噪声PN可被表示为：

PN≈10·log

(10)

其中，Vmax为输出电压摆幅，ωo为VCO振荡角频率，Δω为频偏角频率，由式(10)可见，为了降低偏置电阻Rb的影响，应将其取值远远大于Rp，本文VCO设计中将Rb的值取为2.5 kΩ。

3　芯片实现与分析

本文基于TSMC 0.13 μm CMOS工艺对该VCO进行设计，电路仿真采用Cadence Spectra RF软件，并在此基础上用Virtuoso模块绘画版图，最终流片实现的VCO芯片照片如图4所示，该VCO的版图尺寸为0.56 mm×0.58 mm，所消耗的直流功耗为6.2 mW。

图4　VCO芯片照片

该VCO采用在片测试方式，图5所示为VCO振荡频率的测试结果，可见振荡频率为4.1 GHz～6.2 GHz，表明在中心振荡频率5.15 GHz下，振荡范围高达40.8%；图6给出了输出功率随着调谐电压变化的测试结果，在整个频率范围内，输出功率变化平稳，最大功率可达-2 dBm；图7给出了在振荡频率5.15 GHz处，VCO相位噪声的测试结果，可见在1 MHz频偏处，相位噪声为-121.5 dBc/Hz，取得了较低的相位噪声。为了与以往的VCO指标相比较，目前已出现了多种形式的归一化品质因数指标，目前采用最为广泛的FOMT指标如式(11)所示[2]，其中：PN为相位噪声，fosc为振荡频率，Δf为偏移频率，TR为振荡范围，PVCO为VCO所消耗的功耗。本文所设计的VCO的FOMT指标=-200.02 dB，优于以往文献中所报道的VCO指标[3,8]。而文献[3]和[8]的FOMT指标分别仅为-185.1 dB和-173.9 dB。

(11)

图5　VCO振荡频率测试结果

图6　VCO输出功率测试结果

表1给出了本文所设计的VCO的仿真结果和测试结果的对比，可见两种结果吻合较好，再次证明本文所提出的电路结构的合理性。

表1　VCO测试结果与仿真结果比较

图7　VCO相位噪声测试结果

4　结　语

本文设计了一款超宽带可交替工作于双模状态下的LC VCO，为了提高低频模式LF下的振荡开启增益，利用调谐电压的变化闭合前后级电路之间的开关，在高频模式HF下，断开两级电路之间的开关，隔离掉后级电路对前级电路的影响，进而在高频振荡频率不变的情况下，大大降低了低频振荡频率，因而展宽了VCO的振荡范围。而且在后级核心晶体管栅极引入RC偏置电路，在不影响相位噪声的前提下，提高了后级电路的跨导，进一步展宽了VCO的振荡范围。芯片测试结果表明：本文所设计的VCO的振荡范围高达40.8%，且相位噪声达到-121.5 dBc/Hz@1MHz，取得了较优的性能。

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别梅(1981—)，吉林省松原市人，硕士，主要研究方向为射频电路设计；E-mail: biemei_1981@sina.com

肖巍(1975—)，黑龙江省哈尔滨市人，副教授，主要研究方向为集成电路设计。

Design of an Ultra-Wideband Low-Phase-Noise Dual-Mode LC VCO

BIE Mei, XIAO Wei

(Changchun Normal University, Changchun 130032, China)

A wide band inductance-capacitance voltage controlled oscillator (VCO) with a gm-switching technique was designed and fabricated in TSMC 0.13 μm CMOS process. With a switchable secondary gate-biased active core and a primary core, the VCO operates in two different modes. In addition, since the gate bias of the secondary core transistors guarantees the high trans-conductance of the secondary core, the switch size can be minimized, further extending the upper boundary of the oscillation frequency. The VCO achieved an oscillation frequency from 4.1 GHz to 6.2 GHz, a frequency range of 40.8% at the center oscillation frequency of 5.15 GHz, and a phase noise of -121.5 dBc/Hz at an offset of 1 MHz, while consuming only 6.2 mW and occupying an area of 0.56 mm×0.58 mm.

voltage-controlled oscillator; ultra-wideband; low phase noise; dual mode

10.3969/j.issn.1673-5692.2016.04.009

2016-02-04

2016-04-09

吉林省教育科学规划课题(GH14359)；长春师范大学校级课题([2011]009号)

TN432

A

1673-5692(2016)04-383-05