低相位噪声宽带LC压控振荡器设计

摘 要： 基于0.13 μm CMOS工艺，设计了一款低相位噪声宽带LC压控振荡器。采用开关电容阵列使VCO在达到宽调谐范围的同时保持了低相位噪声。采用可变容阵列提高了VCO频率调谐曲线的线性度。仿真结果表明，在1.2 V电源电压下，电路功耗为3.6 mW。频率调谐范围4.58 GHz-5.35 GHz，中心频率5 GHz，在偏离中心频率1 MHz处相位噪声为-125dBc/Hz。

0 引言

压控振荡器（Voltage-Controlled Oscillator，VCO）是锁相环中的重要组成部分，能够提供频率准确、低相位噪声的本振信号，它对锁相环的性能甚至是整个射频前端的性能都有着较大的影响。随着无线通信 络的快速发展，越来越多的射频电路需要收发机能够覆盖很宽的频率范围，同时保持较低的相位噪声性能，这无疑对压控振荡器的设计提出了更高的要求。

1 电路设计

1.1 电路结构

在目前广泛应用的数模混合式锁相环中,主流压控振荡器的实现主要有两种结构：环形压控振荡器和LC压控振荡器。环形振荡器能获得大的调谐范围，易于集成，但是其相位噪声性能不理想，在无线通信应用中比较少。LC压控振荡器由于良好的噪声性能已成功地应用在窄带无线通信收发机中。近些年来一些宽带的CMOS LC压控振荡器相继 道出来[1-3]，通过开关电容阵列和可变电容相组合，可以得到宽的调谐范围并保持良好的相位噪声性能。

本设计中，采用开关电容阵列和可变电容阵列相组合的电路结构，并同时采用NMOS管做负阻管。电路结构如图1所示。L是片上集成电感，NMOS管M1、M2构成交叉耦合结构，提供振荡所需的负阻。M3、M4构成电流镜结构，为VCO提供偏置电流。

1.2 振荡原理

在LC 压控振荡器中，通常采用负电阻的概念来分析振荡原理。一个理想电感L和电容C组成的并联回路会在频率ωres=1处谐振。实际上电感电容都存在寄生电阻，电阻会消耗回路的能量，使振荡减弱最后停止。如果把一个与寄生电阻相等的负阻并联在谐振电路，则振荡回路会不停地振荡下去。如图2所示，RL表示由电感和电容引起的电阻损耗，RP表示由有源器件NMOS交叉耦合对提供的负阻。图3是NMOS管交叉耦合对管及其小信号等效电路。忽略NMOS管的体效应和沟道长度调制效应， 可以得到[4-5]：

如果两个NMOS管相同，即：gm1=gm2=gm，则：

当有源器件足以补偿电阻损耗时，即：RL-2/gm≥0 时，LC压控振荡器能够维持振荡，此时gm≥2/RL。

在实际芯片制造和使用过程中, 由于存在温度和工艺的变化，为了确保振荡，在设计电路时，合理选择M1、M2的尺寸及偏置电流使gm为所需值的两到三倍，以保证在各种工艺角和温度下都能起振。

1.3 电感元件

根据D.B.Lesson的相位噪声模型[6]：

QL为谐振回路的品质因数，通过公式得知提高谐振回路的Q值可以降低相位噪声。在目前的集成电路工艺中，片上电容的Q值要远大于片上电感的Q 值，因此LC谐振回路的Q值主要由片上电感决定。要得到最小的相位噪声，应该采用工作频段内高Q 值的片上电感。

本设计采用工艺库中的差分平面螺旋电感，如图4所示。差分平面螺旋电感相对普通平面螺旋电感的优点是能够利用差分电感内部的耦合，用小的面积实现大的电感值。除了可以节省版图面积外，还具有更高的Q值以及提高版图布局的对称性。

1.4 开关电容阵列

Cfix为固定电容，Cvar为可变电容，通过开关控制位S4-S1来控制接入振荡回路的固定电容值，从而得到多条调谐曲线。以一个控制单元为例，当控制位为高电平时，对应的固定电容接入振荡回路，此时电容的品质因数为：

Ron为开关MOS管的导通电阻，

当控制位为低电平时，MOS管漏极寄生电容会影响调谐范围。由式(7)、式(8)可知，要提高开关电容的Q值需要减小导通电阻Ron，也就是增大开关MOS管的宽长比(W/L)。但大的宽长比会增加MOS管关断时的寄生电容，从而影响电路的谐振频率，因此需要折中考虑[7]。

1.5 可变电容阵列

VCO频率调谐（f-v）曲线的斜率即为调谐增益Kvco，得到：

2 仿真结果与分析

3 总结

采用0.13 μm RF CMOS工艺设计了一款频率覆盖范围为4.58 GHz～5.35 GHz的宽带压控振荡器。使用开关电容阵列有效地减小了调谐增益Kvco，降低了VCO的相位噪声。采用可变电容阵列减小了Kvco的变化从而提高了锁相环系统的稳定性。该VCO相位噪声性能良好，可以应用到无线传感 射频前端。

参考文献

[1] BERNY A D，NIKNEJAD A M，MEYER R G.A 1.8-GHz LC VCO with 1.3-GHz tuning range and digital amplitude calibration[J].IEEE J.Solid-State Circuits，2005，40(4).

[2] FONG N H W，PLOUCHART J O，et al，Design of wide-band CMOS VCO for multiband wireless LAN applications[J].J.Solid-State Circuits，2003，38(8).

[3] KIM J，SHIN J，et al，A wide-band CMOS LC VCO with linearized coarse tuning characteristics[J].Circuits and Systems II，2008，55(5).

[4] RAZAVI B．模拟CMOS基础电路设计[M]．陈贵灿，译．西安：西安交通大学出版社，2003.

[5] 袁璐．宽带电感电容压控振荡器的研究与设计[Ｄ]．上海：复旦大学，2008.

[6] LEESON D B．A simplemodel of feedback oscillator noises spectrum[J]．Proceedings of the IEEE，1996，54(2)：329-330.

[7] KRAL A，BEHBAHANI F，ABIDI A A，RF-CMOS oscillators with switched tuning[C].IEEE Custom Integrated Circuits Conference，1998：555-558.

[8] MIRAI J，DIVELJ T.Distributed MOS varactor biasing forVCO gain equalization in 0.13 pm CMOS technology[J].IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium，2004：131-134.