低功耗低相位噪声的互补型电流复用Colpitts VCO设计

李相敏，康 壮

(长江大学文理学院，湖北 荆州 434020)

0 引 言

随着无线传感器应用的快速发展，对压控振荡器(VCO)的功耗提出了越来越严格的要求[1]。目前，研究人员已经提出了多种用于降低VCO功耗的技术，其中电流复用技术得到了广泛的应用[2-5]。另外，为了使得VCO输出信号的频谱较纯净，这就要求VCO具有较低的相位噪声。由于Colpitts VCO结构可以较有效地消除有源器件的闪烁噪声和热噪声，因此，Colpitts VCO结构可以满足其低相位噪声的要求[6-8]，但是，相比较于差分交叉耦合VCO结构而言，为了产生相同的负跨导，Colpitts VCO结构需要消耗更多的功耗。为了同时实现VCO的低相位噪声和低功耗特性，需要对传统的Colpitts VCO结构进行改进，而且，鉴于电感占用较多的芯片面积，在VCO电路设计中尽量少用电感或采用变压器形式代替。

在本文中，提出了一种互补型电流复用Colpitts VCO (CRC-VCO)电路结构，电路在互补型形式下，采用变压器，联合了N型Colpitts VCO和P型Colpitts VCO。所提出的VCO由于是Colpitts VCO结构的改进形式，因此继承了Colpitts VCO结构低相位噪声的优点，并且电流复用技术的采用，降低了电路的功耗。用于增加VCO负跨导的四端口变压器，同样起到了降低相位噪声和功耗的作用。

1 电流复用Colpitts VCO设计

图1展示了采用电流复用技术的互补型Colpitts振荡器的形成理念，互补型Colpitts振荡器由一个NMOS Colpitts振荡器和一个PMOS Colpitts振荡器组成，而NMOS Colpitts振荡器和PMOS Colpitts振荡器均由单个晶体管采用漏源极间电容反馈技术组成，如果两个振荡器中晶体管的漏极电压极性相反，可以通过共享电感L，连接栅极偏置点VB的方法，将两个振荡器合并成互补型Colpitts振荡器。互补型Colpitts振荡器可以为下级电路提供差分信号vp和vn，对栅极直流偏置电压VB进行合理选择，以为晶体管Q1和Q2提供等同的跨导，并且为了保证电路的可靠性，需将IB1和IB2设置成相等的电流大小。

图1 采用电流复用技术的互补型Colpitts振荡器的形成理念

图1所示互补型Colpitts振荡器的负跨导为-n×gm，其中n为电容反馈率C2/(C1+C2)，gm为晶体管的跨导。为了增强负跨导，使电路更加易于振荡，可以采用图2(a)所示的基于变压器的漏栅极间反馈技术。变压器可以通过连接位于栅极电感L1和漏极电感L2之间的A点，实现晶体管的自偏置，该方法可有效地简化直流偏置电路。鉴于PMOS晶体管和NMOS晶体管差分工作，因此中心节点A处为虚拟地。图2(b)所示即为本文所提出的完整的互补型电流复用VCO，其中偏置电流IB1和IB2也由通过连接栅极节点与中心抽头电压实现，该连接方式自动匹配这两个电流。电路中，积累型NMOS变容二极管用于实现振荡频率的调谐，并且采用基于高电阻反馈技术的自偏置反相器型输出缓冲器作为电路的输出级。

图2 (a)基于变压器技术的电流复用式VCO(b)本文所提出的完整的互补型电流复用VCO

所提出VCO的小信号半边等效电路如图3所示，其中假设晶体管的输出阻抗无穷大。该VCO的负跨导由以下两种反馈机制所产生：一种是经由电容C1和C2的电容反馈，另一种是变压器的电磁耦合反馈。晶体管的栅源极间电压vgs取决于反馈电压与反馈电流的阻抗分割率，vgs=-n×vd+MT×id，由于Cgs的阻抗远远大于L2T的阻抗，并且鉴于栅极电流ig非常小，VCO半边电路总的负跨导Gm,T可简化为：

(1)

由上式可见，负跨导通过变压器的互耦合因子的介入得到了提高，为了进一步提高VCO的负跨导，将栅极电感值设计成高于漏极电感值，进而，随着负跨导的加强，降低了VCO的功耗。该电路的振荡频率主要取决于晶体管漏极的谐振频率，可表示为：

(2)

经过理论计算，以及由仿真软件ADS进一步优化，最终得到电路元件的参数值。核心NMOS晶体管Q1和QB1的栅宽分别为36 μm和108 μm，PMOS晶体管Q2和QB2的栅宽分别为晶体管Q1和QB1栅宽的两倍大小。电容C1和C2大小分别取为28 fF和74 fF。电路采用射频仿真软件ADS进行设计，并且采用2.5D电磁场仿真工具Momentum进行了版图后仿真验证，尤其对电路中的变压器进行了认真详细地后仿真优化设计，图4所示即为变压器的等效电路图。

图3 提出VCO的小信号半边等效电路图

图4 变压器等效电路图

2 实验结果与分析

采用TSMC 0.13 μm CMOS工艺对本文所提出的基于变压器的互补电流复用型VCO进行设计并流片实现。图5给出了流片实现的VCO芯片照片，包含有所有焊盘的芯片大小为0.53 mm×0.56 mm。采用安捷伦E5052B频谱分析仪对该VCO的振荡频率和相位噪声进行测试，图6所示即给出了VCO振荡频率测试数据图，该VCO在1.2 V的电源电压供电下，取得了7.34～8.94 GHz的振荡频率，振荡频率调谐范围为19.66%(中心频率为8.14 GHz)。图7给出了在频率8.2 GHz处，测试得到的VCO相位噪声结果，可见相位噪声为-115.3 dBc/Hz@1MHz。取得了较低的相位噪声。图8所示为随着控制电压变化的相位噪声测试结果，在整个控制电压变化范围内，相位噪声仅变化了最大2.5 dB。该VCO在1.2 V电源电压供电下，仅消耗了2.5 mW的功耗。

图5 本文设计VCO的芯片微照片

图6 VCO振荡频率测试结果

图7 在振荡频率8.2 GHz处，测试得到的VCO相位噪声结果

图8 随着控制电压变化的相位噪声测试结果

为了验证本文所提出VCO电路理论的合理性以及先进性，表1给出了射频VCO的比较结果[9-12]，表中，为了便于比较，采用由式(3)计算得到的品质因数FOM指标。由表1的比较结果可见，本文设计的VCO取得了最优的FOM特性。

(3)

式中，PN为VCO的相位噪声，fosc为中心振荡频率，Δf为偏移频率，TR为以%为单位的调谐频率范围，PVCO为VCO所消耗的功耗。

表1 射频VCO比较结果

3 结 语

在本文中，提出了一种互补电流复用型VCO电路结构。该VCO通过电流复用技术以及Colpitts结构的采用，可同时实现低相位噪声和低功耗的电路特性。所设计的VCO取得了7.34～8.94 GHz的振荡频率，振荡频率调谐范围为19.66%。在频率8.2 GHz处，取得了-115.3 dBc/Hz@1MHz较低的相位噪声。该VCO在1.2 V电源电压供电下，消耗了2.5 mW的功耗，芯片所占面积为0.53 mm×0.56 mm。