应用于DAB系统Ⅲ波段的LC压控振荡器设计研究

摘  要：在通信领域中，频率合成器扮演着越来越重要的角色，它可以为不同标准的无线收发机提供可编程低噪声的稳定本振信号，其性能可决定整个无线收发系统的性能，而在频率合成器中，又以VCO的设计为重中之重。本文即是对应用于数字音频广播接收机系统Ⅲ波段的电感电容压控振荡器设计的研究。本文设计了一种应用于Ⅲ波段的正交差分输出压控振荡器。电路后仿真结果显示，核心电路电流为5.2mA，在调谐电压范围为0.3～1.5V条件下，输出振荡频率范围可达到323.2～514.2MHz，完全覆盖Ⅲ波段所需要的频率范围;同时，最差条件下的相位噪声为-121dBc/Hz@1MHz，满足设计指标。

关键词：数字音频广播;电感电容压控振荡器;频率合成器;电路设计

中图分类号：TN752      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）14-0036-03

Design and Research of LCVCO Used in Ⅲ Band of

Digital Audio Broadcasting System

XUAN Jiahui

（Jiangsu Institute of Automation，Lianyungang  222006，China）

Abstract：In the field of communications，frequency synthesizers play an increasingly important role in providing programmable low-noise，stable local oscillator signals for different standard wireless transceivers，the performance of which determines the performance of the entire wireless transceiver system. In the frequency synthesizer，the design of the VCO is the most important. This paper is the study of the design of the inductor-capacitor voltage-controlled oscillator for the Ⅲ band of the digital audio broadcasting receiver system.In the LCVCO design module，a voltage-controlled oscillator with quadrature differential outputs used in band Ⅲ is designed. The simulation results show that the core circuit current is 5.2 mA，the output frequency range is from 323.2 MHz to 514.2 MHz，in the tuning voltage range of 0.3～1.5V，completely covering the required band Ⅲ frequency range. At the same time，the phase noise in the worst case is -121dBc/Hz@1MHz offset，which meets the design specifications.

Keywords：digital audio broadcasting;LCVCO;frequency synthesizer;circuit design

1  数字音频广播（DAB）接收机介绍

数字广播技术的迅速发展，为提高广播通信质量提供了一种全新的思路。数字音频广播（DAB）被用来取代模拟广播FM，我国已将欧洲的尤里卡（Eureka）147-DAB制式作为数字调幅广播的标准。DAB接收机的工作频段非常宽广，可覆盖从长波（148.5kHz）到L波段（1492MHz）整个频率。数字广播接收模块中，本振的精度和稳定性起到决定数字广播接收机性能的关键作用。本文正是对Ⅲ波段DAB接收机压控振荡器设计的研究[1-5]。

2  压控振荡器（VCO）在DAB接收机中的作用

无线数字通信中射频接收终端采用的结构多种多样，但频率合成器作为混頻器中本振的产生源，在射频收发机中是不可或缺的一部分。在频率合成器中，又以CMOS全集成压控振荡器（VCO）的设计为重中之重。

VCO主要有环形振荡器和LC振荡器两种。数字广播接收机要求振荡器的输出频率较低，同时对相位噪声和功耗的要求都较高（即低相位噪声和低功耗），环形振荡器很难实现，因此众多数字广播接收机的VCO设计均采用LC压控振荡器。LCVCO的设计近年来是射频系统频率合成器中的一个研究热点。本文即以LCVCO为研究要点展开设计。

3  应用于DAB收发机中的LCVCO的电路设计

3.1  压控振荡器的数学模型

VCO是一种电压-频率转换装置。在相位噪声和锁相环的研究中，需要一个VCO的数学模型。可以把一个理想的VCO定义为一个可以产生周期输出信号的电路，如式（1）所示。

3.3  LC压控振荡器的电路设计

本LCVCO基于CMOS工艺设计，基于这种工艺的LCVCO大都采用差分结构，原因是集成电路中的衬底和电源中会引入大量共模噪声，这些共模噪声会对电路造成较大的危害，差分结构可以抑制这些共模噪声。

3.3.1  基于CMOS工艺的LCVCO拓扑结构

为了抑制和消除偶次谐波上的噪声，在本设计中的MOS晶体管的S极和交流地与电源之间分别插入了一个二次谐波的高阻通路，本篇设计中所采用的LCVCO电路结构如图2所示。其中L1、C1和L2、C2组成两个谐振在2ω0的噪声滤波网络。

为了控制芯片面积和功耗，在本设计中的输出部分采用源极耦合逻辑触发器所构成的4分频器作为信号产生端。

3.3.2  器件选择与优化

3.3.2.1  电感的选择

考虑电路设计的难易和周期，本设计工作直接采用工艺库中提供的电感。SMIC工艺库提供了两种类型的八边形平面螺旋电感模型：Spiral Inductor和Differential Inductor，其几何尺寸参数分别如表2、表3所示[2]。

3.3.2.2  变容管的选择

SMIC 0.18μm Mixed Signal CMOS工艺中提供了两种变容管模型：PN结变容二极管和积累型MOS（accumulation-mode，A-MOS）变容管。对可变电容的研究表明，MOS管电容在线性度方面比二极管变容管好[2]。因此，本设计选用MOS管电容，具体参数通过仿真确定。

4  LCVCO版图设计以及仿真

本VCO设计采用Cadence Spectre仿真器进行模拟仿真与优化设计。

4.1  VCO版图设计

需要特别注意的是由于本结构是采用的差分对形式，对版图的对称性要求极高，所以在设计版图时需要尤其注意版图的对称性设计。由于寄生电容会影响到VCO的输出振荡频率，所以在设计VCO版图时更需要注意走线的寄生电容效应。图3是本次设计的LCVCO的版图结构。

4.2  VCO仿真结果

本设计中是采用在Cadence软件环境下的Assura工具进行DRC和LVS检查。检查通过后，使用Assura工具对版图进行寄生参数的提取，然后进行后仿真，并根据后仿真结果优化原理图中的参数设计和版图设计。由于篇幅限制，在这里只给出后仿真过程以及结果。

在Cadence软件平台上搭起LCVCO的Testbench进行仿真。主要进行瞬态仿真、输出频率调谐范围仿真和相位噪声性能的仿真。给出后仿真与设计指标的比较如表4所示。

5  结  论

本文章首先介绍了数字音频广播和压控振荡器在DAB接收机中的作用，并给出了分析振荡器的数学模型。然后根据本次设计的要求，介绍了应用于DAB的LCVCO的常用结构，并选择了合适的电路拓扑结构，然后按照电路设计、版图设计、后仿真及版图优化的顺序给出了压控振荡器的设计过程。虽然由于流片计划原因，本次VCO设计未能付诸流片，但后仿真结果显示设计结果满足预期设计要求。

参考文献：

[1] 舒启辉.走近数字音频广播技术 [J].广播与电视技术，2005（11）：7-9+5.

[2] 周建政.DRM/DAB接收机射频前端芯片设计中的关键技术研究 [D].江苏：东南大学，2009.

[3] [日]远坂俊昭.锁相环（PLL）電路设计与应用 [M].何希才译.北京：科学出版社，2006.

[4] Jiahui X，Zhigong W，Lu T，et al. A 3-GHz dual-modulus prescaler based on improved master-slave DFF [C]// IEEE International Conference on Communication Technology. IEEE，2011：21-24.

[5] 周学智，玄甲辉.数字音频广播接收机中频率合成器的系统级设计 [J].计算机光盘软件与应用，2013，16（11）：221-223.

作者简介：玄甲辉（1987-），男，汉族，山东泰安人，工程师，硕士研究生，研究方向：智能装备系统与电子信息系统。