GPS/BD接收机中电感电容压控振荡器设计

2016-07-04陈顺舟黄海生景哏评

重庆邮电大学学报(自然科学版) 2016年3期

关键词：压控谐振电感

陈顺舟,黄海生,李　鑫,景哏评,王　帅

(西安邮电大学电子工程学院,陕西西安 710121)

GPS/BD接收机中电感电容压控振荡器设计

陈顺舟,黄海生,李鑫,景哏评,王帅

(西安邮电大学电子工程学院,陕西西安 710121)

摘要：采用TSMC 0.18 μm CMOS工艺，设计了一款宽调谐、低相位噪声、低功耗的电感电容压控振荡器(voltage controlled oscillar,VCO)，用于接收北斗卫星导航系统的B1，B2频段信号和全球定位系统(global positioning system,GPS)的L1频段信号的射频接收机中。振荡器中采用了开关固定电容阵列和开关MOS管可变电容阵列，有效地解决了宽频率调谐范围和低相位噪声之间不可兼顾的问题，另外，采用了可变尾电流源的结构，使得振荡器在整个可调频率范围内输出电压的幅度变化不大。利用Cadence软件中Spectre对电路进行仿真。结果表明，振荡器频率调谐在2.958—3.418 GHz和2.318—2.552 GHz 这2个频段内，在1.8 V的供电电源电压下，功耗仅为3.06—3.78 mW。当振荡器工作在3.2 GHz和2.4 GHz的中心频率时，其在1 MHz频偏处的单边相位噪声分别为-118 dBc/Hz和-121 dBc/Hz。

关键词：电感电容压控振荡器；开关固定电容阵列；开关MOS管可变电容阵列；相位噪声

0引言

随着无线通信系统和宽带收发机的迅猛发展，使得射频前端芯片的设计向着小型化、低成本、低功耗和高性能等方向发展。在如今的各种通信系统中，对频率综合器相位噪声和调谐范围的要求越来越高，人们希望设计的频率综合器能接收各种不同频段的信号[1]。目前，实际中比较流行的压控振荡器按其电路结构分为环形振荡器和LC 振荡器[2]。环形振荡器易于集成，占用面积小，可调频率范围大，虽然环形振荡器也能够工作到1—2 GHz，但是由于其相位噪声比较差，且受电源和地的噪声影响很明显[3]，所以，在设计1 GHz以上的振荡器时我们都很少考虑环形振荡器。LC振荡器虽然要求高品质的无源器件，需要片上电感和变容管器件才能较好地实现集成[4]，但是因其良好的相位噪声性能，在基于锁相环路的频率综合器中，一般采用LC振荡器[5]。在实际的电感电容压控振荡器中，调谐增益太大和相位噪声太差成为瓶颈，本文设计的振荡器结构能很好地解决这2个问题，并且可以接收2个频段内的信号。

1电路设计

1.1VCO电路结构设计

本文中设计的VCO电路结构如图1所示，由交叉耦合的N型金属-氧化物-半导体(N-metal-oxide-semiconductor,NMOS)对管Mn1，Mn2和PMOS对管Mp1，Mp2来实现负阻元件，可变偏置电流源提供的电流可以在NMOS对管和P型金属-氧化物-半导体(P-metal-oxide-semiconductor,PMOS)对管之间复用，降低了电路的功耗。在谐振回路中，使用了差分对称电感并联在差分输出的两端，这样有利于减少芯片面积，另外，差分对称电感相对来说有具有更高的品质因数Q。这种互补NMOS和PMOS谐振回路结构比单NMOS和单PMOS结构具有更好的相位噪声性能，这是因为当把它们的跨导设计为相同时，由VCO输出的振荡波形的上升波形和下降波形是完全对称的[6]。采用三位数字控制信号对尾电流源进行控制，这样就使得振荡器可以在整个可调频率范围内调节输出电压的幅度变化，从而保持振荡器的输出电压幅度在整个调谐范围内保持基本不变，有利于控制电路功耗。采用六位数字信号控制开关电容阵列，其中，四位控制开关固定电容阵列用来进行粗调，将整个频率范围划分为16个子频带，开关固定电容阵列采用了二进制权重的编码方式。另外两位用来进行全局调谐，控制开关可变电容阵列开关的通断，通过调节这两位数字信号，振荡器可以调谐在2个频段内，另外，调谐电压与偏置电压共同调节反型MOS管可变电容大小，使得调谐增益在每个子频带内变化不大。

图1　压控振荡器电路结构原理图Fig.1　Voltage controlled oscillator circuit structure

1.2开关电容阵列设计

对于一个LC结构的振荡器，其振荡频率一般可以表示为[7]

(1)

(1)式中，C表示整个回路的总电容，它包括开关固定电容和开关可变电容。开关电容阵列设计包括开关固定电容阵列和开关可变电容阵列设计2个部分。因MIMCAP的Q值很高，将其并联在开关可变电容阵列的两端可以降低调谐增益，所以，我们选择MIMCAP来构成开关电容阵列，由其组成的开关固定电容电路结构如图2所示，开关固定阵容阵列采用二进制形式编码，这种差分开关电容结构能同时获得较高Q值和较宽频率调谐范围。正如前面所说的，共有六位数字信号B0，B1，B2，B3，B4，B5控制开关固定电容阵列，这里，采用NMOS管作为开关。通过B0，B1，B2，B3这四位把整个频率调谐范围分成16个子频带，另外两位数字信号B4，B5是用来使振荡器能够在2个频段内调谐的。

图2　开关固定电容阵列结构Fig.2　Switch fixed capacitor array

对于开关可变电容阵列，因MOS管可变电容拥有很高的Q值，所以，这里采用了反型MOS管作为可变电容。由其组成的开关可变电容阵列电路结构如图3所示。其中，开关T_SW是一个传输门开关，B4控制其闭合与断开。在本次设计中，采用了2个这样的结构，并且另外一个开关可变电容阵列用B5进行控制。由于源漏端的寄生电容比栅端大，所以，在应用MOS管可变电容时将栅端接振荡器输出端，源漏端接调谐电压端[8]。通过改变MOS管可变电容两端的电压就能改变可变电容大小，进而改变振荡器的谐振频率。

图3　开关可变电容阵列结构Fig.3　Switch MOS tube varactor capacitor array

1.3可变尾电流源电路结构设计

可变尾电流源的电路结构如图4所示。由于开关MOS管导通电阻的存在，当开关电容阵列的电容接入谐振回路时，会降低谐振回路的Q值，振荡信号幅度和相位噪声也会变差，为了保证振荡信号的幅度在整个频率范围内保持基本不变，谐振回路中有

(2)

(2)式中：Etank为存储在谐振回路中的能量；Vpeak为谐振回路等效电容两端的电压峰值，即为输出电压的幅值；Ipeak为流过谐振回路电感的电流峰值。由(1)式和(2)式可以得到

(3)

根据(3)式可知，在输出频率改变的同时让功耗(Etank)随之改变可以让振荡器输出幅度保持不变[9-10]。开关电流阵列就是用来调节振荡器在各个谐振频率时的尾电流大小的，EN(enable)为使能信号，本文采用的开关电流阵列采用三位数字信号b0,b1,b2来控制尾电流的大小，在振荡频率低的时候，适当增加振荡器的尾电流，在振荡频率高的时候，适当降低振荡器的尾电流，从而使振荡器的输出幅度在整个频带内保持基本不变。

图4　可变尾电流源电路结构Fig.4　Variable tail current source

2仿真结果与分析

文中设计的LC压控振荡器采用TSMC 0.18 μm CMOS工艺，使用Cadence中的spectre对其进行仿真验证。仿真得到振荡器的频率-电压曲线如图5所示，图5中的16根子频带分别覆盖了2.958—3.418 GHz频段和2.318—2.552 GHz频段，可调范围分别为18.8%和12.5%，实现了双模和较宽的调谐范围。

仿真得到振荡器的调谐增益和电压的曲线如图6所示，高频段在3.2 GHz中心频率处的调谐增益随着调谐电压的变化在65—100 MHz/V变化，低频段在2.4 GHz中心频率处的调谐增益随着调谐电压的变化在36—57 MHz/V变化，它们相对较小且变化不大。

相位噪声是压控振荡器中一个重要的性能指标,振荡器仿真得到的相位噪声曲线如图7所示，从图7中可以看出，当振荡器振荡在高频段中心频率3.2 GHz时，在1 MHz频偏处的单边相位噪声为-118 dBc/Hz，当振荡器振荡在低频段中心频率2.4 GHz时，其在1 MHz频偏处单边的相位噪声为-121 dBc/Hz。并且，随着调谐电压的改变，相位噪声的变化并不大。

a 频率-电压曲线图(高频段)

b 频率-电压曲线图(低频段)图5　频率-电压曲线图Fig.5　Frequency-voltage curve

a 调谐增益曲线图(高频段)

b 调谐增益曲线图(低频段)图6　调谐增益曲线图Fig.6　Tuning gain curve

a 相位噪声曲线图(高频段)

b 相位噪声曲线图(低频段)图7　相位噪声曲线图Fig.7　Phase noise curve

近年来，一些LC-VCO设计采用各种各样的方法来提高性能，表1将本设计的LC-VCO和这些振荡器设计做了比较。从表1可以看出，本设计在频率范围、调谐增益变化幅度、相位噪声和功耗等方面具有一定的优势。

表1　本设计VCO的性能比较

3总结

设计了一款用于北斗B1，B2频段和GPS L1频段双模宽带电感电容压控振荡器。振荡器采用了开关固定电容阵列、开关可变电容阵列和可变尾电流源技术，实现了在宽频率范围内的调谐。试验结果表明，工作在2.958—3.418 GHz频段和2.318—2.552 GHz频段的中心频率3.2 GHz和2.4 GHz处，1 MHz频偏处的相位噪声分别为-118 dBc/Hz,-121 dBc/Hz，调谐增益在频带内较小且变化不大，在1.8 V的电源电压下，功耗仅为3.06—3.78 mW。

参考文献：

[1]CHEN Pufeng, LI Zhiqiang, HUANG Shuilong, et al. A 3GHz low-power and low-phase-niose LC VCO with a self-biasing current source [J]. Journal of Semiconductors, 2008, 29(11): 2106-2109.

[2]BERNY A D, NIKNEJAD A M, MEYER R G. A 1.8 GHz LC VCO with 1.3GHz tuning range and digital amplitude calibration[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2005, 40(4): 909-917.

[3]RAZAVI B. A study of phase noise in CMOS oscillators[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 1996, 31(3): 331-343.

[4]ELSAYED A , ELMASRY M. Low-phase-niose LC quadrature VCO using coupled tank resonators in a ring structure[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2001, 36(4): 701-705.

[5]吕志强, 陈岚. 一种带有开关电流源的低相噪压控振荡器[J]. 太赫兹科学与电子信息学报, 2014, 12(3): 466-470.

LYU Zhiqiang, CHEN Lan. A low phase noise VCO with switched current source[J]. Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology, 2014, 12(3): 466-470.

[6]梁爽, 曹娟. 低相位噪声压控振荡器的设计及仿真[J]. 微电子学与计算机, 2014, 31(7): 177-180.

LIANG Shuang, CAO Juan. A LC voltage- contorlled oscillator design and simulation[J]. MICROELECTRONICS & COMPUTER, 2014, 31(7): 177-180.

[7]拉扎维·毕查德. 模拟CMOS集成电路设计[M].陈贵灿, 译. 西安: 西安交通大学出版社, 2003.

RAZAVI B. Design of analog CMOS integrated circuits[M]. CHEN Guican, translation. Xi’an: Xi’an Jiao Tong University, 2003.

[8]袁路, 唐长文, 闵昊. 一种低调谐增益变化的宽带电感电容压控振荡器[J]. 半导体学报, 2008, 29 (5): 1003-1009.

YUAN Lu, TANG Zhangwen, MIN Hao. A wideband LC-VCO with small tuning gain fluctuation [J]. Journal of Semiconductors, 2008, 29(5): 1003-1009.

[9]YOON H, LEE Y S, KIM J J, et al. A wideband dual-mode LC-VCO with a switchable gate-biased active core [J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems II, 2014, 61(5): 289-293.

[10] LO Y C, J S M. A 5-GHz CMOS LC quadrature VCO with dynamic current-clipping coupling to improve phase noise and phase accuracy[J]. IEEE Trans-MTT, 2013, 61(7): 2632-2640.

[11] YOU P L, HUANG T H. A switched inductor topology using a switchable artificial grounded metal guard ring for Wide-FTR MMW VCO applications[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2013, 60(2): 759-766.

[12] WANG T P,YAN Y M.A low-voltage low-power wide-tuning-range Hybrid Class-AB/Class-B VCO with robust start-up and high-performance FOMT.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques[J].2014,62(3):521-531.

[13] VAANANEN P, MIKKOLA N, HELIO P. VCO design with on-chip Calibration System[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems I, 2006, 53(10): 2157-2166.

Design of LC voltage control oscillator for GPS/BD receiver

CHEN Shunzhou, HUANG Haisheng, LI Xin, JING Genping, WANG Shuai

(School of Electronic Engineering,Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, P.R. China)

Abstract:In this paper, a wide frequency tuning range, low phase noise, low power consumption LC voltage-controlled oscillator(LC-VCO) is proposed in TSMC 0.18 μm CMOS process, it can be used in radio frequency(RF) receiver which can receive B1, B2 frequency band signal from BD satellite navigation system and L1 frequency band signal from GPS. In this LC-VCO circuit, the switch fixed capacitor array and switch MOS tube varactor capacitor array are used, effectively solving the problem of the balance between the wide frequency tuning range and low phase noise. In addition, the technique of variable bias current source is used to make the output signal amplitude of the oscillator only change a little in the whole frequency tuning range. The circuit is simulated by the Spectre in Cadence which indicates that the output frequency range is 2.958 GHz—3.418 GHz and 2.318 GHz—2.552 GHz, and the power consumption is only 3.06—3.78 mW in 1.8 V power supply voltage. The phase noise is -118 dBc/Hz at 1 MHz offset from the center frequency 3.2 GHz and -121 dBc/Hz at 1 MHz offset from the center frequency 2.4 GHz.

Keywords：LC-VCO; switch fixed capacitor array; switch MOS tube varactor capacitor array; phase noise

DOI：10.3979/j.issn.1673-825X.2016.03.009

收稿日期：2015-03-30

修订日期：2016-03-09通讯作者：陈顺舟928506156@qq.com

基金项目：陕西省科技统筹创新工程计划战略基金(2012KTCQ01-06)；陕西省科技统筹创新工程计划战略性新兴产业重大产品(群)项目“北斗授时型接收机芯片组及产业化”(2014KTCQ01-21)；陕西省教育厅服务地方专项(2013JC10)；国家科技重大专项新一代无线通信移动网“TD-LTE多频射频商用芯片研发”(2013ZX03001010-003)；GNSS射频芯片中频率综合器设计(101-0490)

Foundation Items：The Innovation of Science and Technology Project Plan Strategy Fundation of Shanxi Province(2012KTCQ01-06)；The Innovation of Science and Technology New Industries Major Products Project Plan Strategy of Shanxi Province “Beidou Timing Receiver Chipset and Industrialization”(2014KTCQ01-21);The Special Service Local Project of Shanxi Province Department of Education(2013JC10)；The National Science and Technology Major Projects of a New Generation of Broadband Wireless Mobile Communication Network “TD-LTE Multifrequency RF Chip Research and Development for Commercial Use” (2013ZX03001010-003)；The Design of Frequency Synthesizers in RF Chip (101-0490)

中图分类号：TN752

文献标志码：A

文章编号：1673-825X(2016)03-0337-05

作者简介：