一种高性能带有幅度测量的CMOS 电压控制振荡器的设计*

蒋行舟，张国琴，闫树斌，吴秀山*

(1.龙游泽龙电力工程有限公司,龙游 324400；2.浙江水利水电学院,浙江 杭州 310018)

在无线收发机的设计中,CMOS 全集成电感电容压控振荡器(LC-VCO),一直是学术界和工业界重点研究的射频单元电路[1]。电压控制振荡器最重要的设计指标有低相位噪声、低功耗及宽调谐范围等[2]。设计了一种高性能的拥有开关电容阵列的LC-VCO,其通过电平选通信号实现频率调谐范围和灵敏度的控制,实现了宽的频率调谐范围和高线性的控制灵敏度,并且为判断振荡电路能否正常工作,设计了一种高频振荡信号幅度测量电路。

1 系统结构及工作原理

设计的LC_VCO 的整体结构如图1 所示,包括LC 谐振电路、开关电容阵列和振荡信号幅度测量电路。LC 谐振电路采用PMOS 管和NMOS 管互耦对,由对称电感L0、变容管CV及固定电容组成并联谐振电路；谐振电路中根据外加的控制电压Vtune控制变容管的变容范围,从而调节LC_VCO 的控制灵敏度；开关电容阵列接收外部输入的FTRIM＜0:3＞控制信号用以选通内部控制开关,将相应的电容阵列支路并联至谐振电路两端,从而调节LC 压控振荡器的调谐范围；L2、C2和L3、C3组成2 个谐振在2ω0的噪声滤波网络以提高电路的相噪性能[3]。振荡信号幅度测量电路用于测量振荡的差分正弦信号的幅值[4-5]。

图1 LC_VCO 电路结构框图

2 开关电容阵列单元及等效电路分析

由金属-氧化物-金属(MIM)电容组成的开关电容阵列如图2 所示,该电路采用一种“层叠”结构,其第4 电容阵列支路的等效电路如阴影部分所示；其接收外部输入的4 位控制信号FTRIM＜0:3＞,用以选通电容阵列内部的MOS 开关管。

图2 开关电容阵列结构框图

当输入的FTRIM＜0＞低电平时,selb＜0＞为高电平,sel＜0＞为低电平,第1 电容阵列支路中的开关管NM00与NM01断开,NM02也断开,使得第1 电容支路悬空,呈高阻状态；当输入的FTRIM＜0＞为高电平时,selb＜0＞为低电平,sel＜0＞为高电平,第一电容阵列支路中的NM00与NM01导通,使得NM02的源漏端直流电位被拉低到零点位,确保了NM02处于导通状态,这样Vosc＋、Vosc-之间的2 个串联电容Cf就并联在了谐振回路上,使得第1 支电容并联支路起作用[7]。以此类推,FTRIM＜3＞选通第4 电容阵列支路,该电容阵列支路由8 个第1 电容阵列结构的电路“层叠”而成。由于MIM 电容Cf采用二进制权重,开关电容阵列的电容值的变化范围为,步进为Cf/2。

理想情况下,仅考虑开关管NM00、NM01与NM02导通时的等效电阻,分别为Ron0、Ron1和Ron2,经过电路的转换和推导可得到第一电容阵列支路的等效电路,如图3(a)所示,图中

图3 开关电容阵列并联等效电路

其中有:Ron_s0=Ron_p2·(Ron_p0＋Ron_p1)/(Ron_p0＋Ron_p1＋Ron_p2),ω0为振荡信号频率。该等效电阻引入的噪声电压功率谱密度为:

式中:k为波尔兹曼常数,T为温度,Ctot为开关电容阵列单元的总电容。

当开关电容阵列全部导通时的等效电路如图3(b)所示,该等效电路的品质因数Q为:

式中:n为导通的支路数,值的范围为1～15 的自然数。由式(3)可得,该开关电容阵列的Q与阵列导通的支路数n无关,因此保证了电路的性能稳定。其次电容阵列的最小结构单元为第一电容并联支路,容易设计,并且画出的电路版图易于移植,使设计的电路版图非常容易对称,对称的电路版图可以减少振荡器的噪声。因此该电路结构在提高电路的性能的同时,可极大地减少电路版图设计时间[8]。

3 振荡信号幅度测量电路

为了判断振荡电路能否正常工作,并且获得振荡信号的幅度,提出了振荡信号幅度测量电路,如图4 所示。电路由采用尾电流源结构的差分放大电路、偏置电压产生电路和开关控制的传输门组成。LC_VCO 振荡出的差分振荡信号分别经隔直电容C2与C3后加入到NM2和NM3的栅极NM2和NM3的栅极处的直流偏置电压Vbias由偏置电路产生,选择合适的直流偏置电压Vbias,使得差分信号的直流电平近似等于导通电压Vth。可对电路进行瞬态分析,当NM2栅极上的信号逐步增大,而NM3栅极上的信号逐步减小时,最终使得NM2导通与NM3关断；反之当NM2栅极上的信号逐步减小、NM3栅极上的信号逐步增大时,最终使得NM2关断与NM3导通；最终可将NM2与NM3等效为NM2-3,其栅极上得到了一个全波整流信号。NM4管的栅漏电压加入到开关控制的传输门电路,NM5与PM5、NM8与PM8组成传输门,NM6与PM6、NM7与PM7组成开关控制电路,当EN 为高电平时,NM4管的栅漏电压输出为OUT；当EN 为低电平时,OUT 悬空,输出为高阻态。C4与R2组成片外的RC 滤波电路,从OUT 输出电压可以判断电路的工作状态和幅值,振荡信号的最大值为Umax,则输出的OUT 的平均值为,设计的内部偏置电压Vbias为0.8 V。当振荡信号的幅值从0.30 V 变化到0.55 V 时,仿真得到的输出OUT 的平均值如图5 所示。

图4 振荡信号幅值测量电路结构框图

图5 仿真输出的OUT

4 测试结果及分析

对于设计的LC_VCO,采用TSMC 0.18 μm RF 1P6M CMOS 工艺进行了流片验证,制成的芯片照片如图6 所示,芯片面积约为1.1 mm×0.9 mm,当FTRIM＜0:3＞从1111 变为0000,Vtune从0.3 V 变为1.5 V 时测量的压控特性曲线如图7 所示。由于频率与电容的非线性关系,压控灵敏度从50 MHz/V变为94 MHz/V,相邻两条压控特性曲线的中间频差从32 MHz 变为56 MHz。

图6 芯片照片

图7 测量的压控特性曲线

测量的最低频率为2.602 GHz,最高频率为3.375 GHz,相应测量的相位噪声分别如图8 和图9所示,在2.602 GHz 时为-125.68 dBc/Hz＠1 MHz,在3.375 GHz 时为-121.25 dBc/Hz＠1 MHz。整个电路在1.8 V 供电时消耗的功耗为3.06 mW。

图8 2.602 GHz 时测量的相位噪声曲线

图9 3.375 GHz 时测量的相位噪声曲线

当最低谐振频率时,测量振荡信号的输出频谱如图10 所示,最大功率为0.619 1 dBm；用示波器测量输出波形,如图11 所示,其峰峰值为681.96 mV,在50 Ω 负载上计算的功率约为0.65 dBm,用万用表直接测量振荡信号幅值测量电路输出的OUT 电压为1.022 V,与仿真结果吻合较好。

图10 测量的输出频谱图

图11 测量的输出波形图

表1 给出了所的设计与已发表的LC_VCO 性能比较,可以看出,所设计的LC_VCO 各个性能指标之间进行了折中,具有更好的综合性能。

表1 VCO 性能比较

5 总结

基于TSMC 0.18 μm CMOS 工艺设计了一种高性能的带有开关电容阵列的LC_VCO,LC_VCO 由LC 振荡器、开关电容阵列和振荡信号幅度测量电路组成。根据推导开关电容阵列在全部导通时的等效电路,得到该阵列的品质因数Q与并联支路无关,从而保证了电路的性能稳定。流片的芯片面积为1.1 mm×0.9 mm,振荡的频率范围为2.602 GHz～3.375 GHz,测量的相位噪声为在2.602 GHz 时为-125.68 dBC/Hz＠1 MHz,在3.375 GHz 时为-121.25 dBC/Hz＠1 MHz。整个电路在1.8 V 供电时消耗的功耗为3.06 mW,振荡器的优值为-189.2 dB。测量输出的振荡信号的峰峰值为0.682 V,输出的OUT 电压为1.022 V,与仿真结果完全吻合,验证了幅值测量电路的正确性。