Ku波段0.18 μm CMOS压控振荡器电路设计

冯海洋，杜慧敏，张 博，明远先

(西安邮电大学 电子工程学院，陕西 西安710161)

当前，无线通信都在向低成本、低消耗的方向发展。而个人无线通信由于受其电池容量、寿命以及可携带性的影响，导致其设计要求更集中于低功耗。频率合成器做为无线通信中的核心电路，其设计要求集中于高频率转换、低功耗以及低相位噪声。压控振荡器VCO(Voltage-Controlled Oscillator)做为锁相环式频率合成器的核心电路，其高质量的设计一直是研究的重点。

本文利用TSMC 180 nm RF CMOS工艺设计了一款VCO芯片，介绍了VCO电路设计和器件的设计与选取，并给出了仿真结果。

I VCO电路设计

1.1 电路结构

电感、电容和交叉耦合对管是构成电感电容LC(Inductance-Capacitance)VCO的基本元素,电感和总电容决定了振荡频率，交叉耦合对管提供能量补偿谐振回路中的能量损耗以维持持续振荡。

VCO的设计是频率、功耗、芯片面积以及噪声性能之间的折中。目前，应用最广泛的集成压控振荡器主要有两种类型：LC调谐振荡器和环形振荡器。其中，NMOS管做为交叉耦合差分对管的LC调谐振荡器在高频电路中应用很广泛。在电流和宽长比固定的情况下，NMOS管具有更大的增益，能为LC_TANK提供更大的能量。PMOS管做为交叉耦合差分对管，具有较低的固有噪声，但是其增益只是NMOS管的1/3～1/2，所以要想提供相同的负电阻，就需要更大的宽长比，这将导致面积变大，且增大了寄生电容，影响频率的调谐范围。互补型交叉耦合结构是利用2个NMOS管和2个PMOS管分别组成差分对，该结构增加了2个管，增加了热噪声，而且增加了寄生电容，影响调谐范围。

本设计的VCO电路采用NMOS交叉耦合差分对管电路，其具体电路结构如图1所示。使用NMOS管做为尾 电 流 管 ， 其 谐 振 电 路 由L、C1、C2、MN1、MN2和 VAR1、VAR2以及开关阵列组成。开关阵列是由3组开关控制不同的电容组成，实现8根调频线。

1.2 电路工作原理

实际电路中都是由有源器件提供“负阻”。在压控振荡电路中，一般使用交叉耦合差分对管提供“负阻”。图2(a)所示为使用NMOS管组成的交叉耦合对差分管，其交流小信号等效电路如图2(b)所示。

图1 VCO电路

图2 交叉耦合差分对管及其等效小信号

忽略MOS管的衬底效应以及沟道调制效应，可以得到：

当电容和电感的寄生电阻R≥2/gm时，“负阻”就能够为谐振回路提供能量，使谐振回路持续地振荡下去[3]。

如果两个MOS管相同，即gm1=gm2=gm，则可得：

2 器件的选取与设计

2.1 电感的选取

设计中采用 TSMC 0.18 μm1P6M RF CMOS工艺。根据LEESON D B[4]提出的经验相位噪声模型：

其中，F是一个经验参数，通常称为器件的额外噪声系数；K是玻尔兹曼常数；T为绝对温度；PS为振荡电路的平均功耗；ω0为振荡电路的频率；QL为有载条件下的振荡品质因数；ω为频率偏移量；ω1/f3为1/f3和1/f2区域的指点频率。由式(6)可得，振荡槽的Q值对相位噪声的影响比较大，所以在设计中，电感要满足设计频率的需求而且其Q值要大，这样有利于获得较低的相位噪声。本设计选用的是工艺库中对称的平面螺旋电感，该电感在具有较小的电感值时，仍拥有较高的Q值。

2.2 可变电容的选取

在CMOS工艺中，实现可变电容主要有4种结构：PN结电容、普通MOS管电容、反型MOS管电容以及累积型MOS管电容。本设计选用累积型MOS管电容，其在反型MOS管电容的基础上进行了改进，减小了N阱和源漏端的寄生电容，调谐范围较大，其线性度也得到了明显的改善。

2.3 开关阵列设计

考虑到只使用上述可变电容的情况下，其电路的调谐频率较小，而且在集成电路工艺的制造过程中由于工艺偏差、版图寄生等情况会导致频率范围的偏移，所以本设计采用了如图3所示的开关电容阵列，以实现较大的可调范围。

图3 开关电容阵列

该开关阵列结构使用了3组开关，可以产生8根跳频曲线，大大地提高了频率变化范围。根据其可变电容的调谐范围以及频率计算公式可以得到每个开关结构中电容值的大小。其电容使用的是MIMCAP，该电容具有较小的容值和较高的Q值。

当开关闭合时，开关的电容品质因数为：

其中，μ为载离子的迁移率，COX为单位面积的栅氧化层电容，W、L分别为 NMOS管的宽、长，Vgs为栅源电压，Vth为阈值电压。由式(8)可得，要提高开关的品质因数就必须减小其导通电阻，而减小导通电阻只能增大NMOS管的宽长比。但是大的宽长比会增加其寄生电容和版图面积，所以在设计中需要折中考虑这些因素。

2.4 尾电流设计

尾电流源一方面是VCO相位噪声的主要贡献者之一,另一方面却能抑制谐振槽能量的泄露,提高谐振槽的Q值。本设计中选用NMOS晶体管为VCO提供偏置电流，且与该NMOS管并联一个大电容C0到地。该电容的作用相当于在交叉耦合管的源端加入一个低通滤波器，该电容只要满足低通滤波器的截止频率低于两倍的谐振频率，就会将二倍频以及其他偶次谐波噪声滤除掉，从而达到抑制相位噪声的目的。而且，根据HAJIMIN A[5]等的分析，大电容C0可以降低MOS管沟道的热噪声，减少敏感时刻的噪声源，从而降低振荡器的相位噪声。

其中，C为电容阵列的电容，ω为谐振频率，RC为 N MOS管的导通电阻，其阻值大约为：

3 仿真结果

采用 TSMC的 0.18 μm RF CMOS工艺绘制振荡器的版图。版图采用完全对称的形式，降低了寄生参数，保证了器件的良好匹配性，有助于提高LC VCO的性能。其振荡槽内部连线应采用方块电阻小且衬底寄生电容小的最顶层金属，引线应尽量短，以减小电感和电容的寄生串联电阻，改善相位噪声。振荡器控制信号线需采用同轴电缆的形式进行布线，且远离其他信号线，以防止信号耦合。

使用Cadence SpectreRF仿真工具对该VCO进行后仿真。后仿真频率变化曲线如图4所示，其中“000～111”分别表示3组开关电容的开启和关断状态，“000”表示全关断，“111”表示全开启。由图可知，其整个电路的振荡频率区间为10 GHz～14 GHz。其相位噪声曲线如图5所示，由图可知，其在整个频带内的最差相位噪声为-112 dBC/Hz@1 MHz。VCO的工作电压为1.8 V，核心电路消耗电流为5 mA，其功耗为9 mW。

表1中给出了本文所做工作与近几年相关研究在相应频段VCO的性能比较，可以看出在相同工艺情况下，本文的VCO实现了带宽、核心电路功耗和相位噪声之间的折中。

图5 相位噪声随电压变化曲线

表1 VCO性能比较

本文基于 TSMC的 0.18 μm RF CMOS设计并实现了一种用于PLL频率合成器中的低相位噪声LC VCO。该VCO采用NMOS交叉耦合差分结构，使用开关电容阵列技术增大频率调谐范围，通过在功耗和相位噪声之间选择合适的尾电流值，最终设计出一个宽调谐范围、低相位噪声且低功耗的NMOS交叉耦合型压控振荡器。实验结果表明，该VCO的综合指标优良，其最差相位噪声为-112 dBC/Hz@1 MHz，其最好相位噪声为-119 dBC/Hz@1 MHz，功耗为 9 mW，实现的覆盖频段的调谐范围为10 GHz～14 GHz。

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