一种新型的超低功耗正交压控振荡器的研究与设计＊

丁建群，陈生海，龙 勇，陈 渊，皱 豪，吴飞成，周文豪

（1.怀化学院 电气与信息工程学院，湖南 怀化 418000；2.武陵山片区生态农业智能控制湖南省重点实验室，湖南 怀化 418000）

1 引言

振荡器是射频收发机中非常重要的模块之一，它的性能好坏直接影响着整个收发机的整体性能。目前，业界有好几种产生正交信号的方法，比如RC-CR多相滤波网络法、分频器结构法、正交耦合法等。RC-CR网络是一种非常简单的产生正交信号的方式，整个网络仅由电阻电容构成。在整个频率段中，只有一个频率点上产生完全理想的正交信号（幅度相同、相位相差90°）。另外，随着工艺和温度的变化，RC乘积也会发生变化，导致理想正交信号的频率点也发生变化，这为设计者带来很大的麻烦。分频器结构要求输入信号频率很高，因而产生输入信号的电路功耗比较大，而且触发器本身也会消耗大量的功耗。正交耦合法结构可以分为并联耦合正交压控振荡器、串联耦合正交压控振荡器、变压器耦合正交压控振荡器。并联耦合正交压控振荡器需要的MOS管数较多，相位噪声较差；串联耦合压控振荡器需要较高的电源电压，而变压器耦合法由于电感面积大，芯片的成本高。针对上述问题，本文设计了一种由PMOS管构成的全新正交压控振荡器，通过单层MOS管结构降低电源电压，通过衬底耦合技术减少MOS管个数，通过电容反馈技术提高输出摆幅，从而进一步降低相位噪声。本文组织如下：第2部分进行电路设计和分析，第3部分给出仿真结构，最后对本文进行总结。

2 电路设计与分析

图1是本文提出的电路结构，谐振网络由MOS管M1、M2、M3、M4、电容 C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、Cv和电感L5、L6、L7、L8组成。从图中可以看出，本文通过电感L1、L2、L3、L4这4个电感取代传统的尾电流源，减少了电路的层级数，这样可以降低电源电压，同时电感是无源器件，可以减少由尾电流源产生的噪声。由于PMOS管器件的噪声性能比NMOS管要好，本文的MOS管全部由PMOS管构成。此外，相比传统的MOS并联耦合技术，本文将正交信号通过电容C5、C6、C7、C8分别输送到M1、M2、M3、M4衬底端，实现衬底耦合，减少了MOS管个数，从而减小功耗和噪声。为了在低的电源电压下，获得较好相位噪声性能，本文通过电容C1、C2、C3、C4，将4个MOS管源极信号反馈到漏极，通过这种负反馈技术来提高输出信号摆幅。由于相位噪声与信号幅度成反比，高的输出摆幅进一步降低相位噪声。

图1 超低功耗正交压控振荡器电路图

3 仿真结果

本文采用台积电180 nm工艺进行仿真，芯片的核心面积为1.71×0.939 mm2（不包括焊盘）。在0.46 V电源电压下，电路的直流工作电流为1.83 mA，即电路的直流功耗只有0.842 mW。图2是电路的瞬态仿真波形，从图中可以看出，输出信号具有较高的输出摆幅。图3是在2.4 GHz工作频率下仿真得出的相位噪声，从中我们可以看出，提出的电路的相位噪声为118.6 dBc/Hz@1MHz。

由于相位噪声、功耗、工作频率之间互相影响，在振动器中，有一个综合衡量压控振荡器指标，即优值（FoM，Figure of Merit)，其公式为：

式（1）中：foffset为偏移工作频率；f0为工作频率；PDC是压控振荡器的直流功耗，mW。

FOM越高，振荡器的整体性能越好。表1是近几年公开发表的一些文献和本文指标的对比情况，由表1可知，本文提出的功耗最低，低于1 mW，实现了超低功耗的目的。

图2 电路瞬态仿真波形

图3 相位噪声仿真波形

表1 本文与已发表文献的指标对比

4 结束语

采用单层MOS管结构，通过衬底耦合和衬底偏置技术，在低电源电压下，实现了超低功耗和较好的相位噪声性能。

［1］S.-L.Jang，D.A.Tu，C.-W.Chang，et al.A low power push-push differential VCO using current-reuse circuit design.Progress Electromag.Res.C，2012，27（2）：85-97.

［2］K.-W.Kim，H.-J.Chang，Y.-M.Kim，et al.A 5.8 GHz lowphase-noise LC-QVCO using splitting switched biasing technique.IEEE Microw.Wireless Compon.Lett.，2010，20（6）：337-339.