BDS导航接收机中宽调谐LC压控振荡器设计

雷思伟，黄海生，李 鑫，叶小艳

BDS导航接收机中宽调谐LC压控振荡器设计

雷思伟，黄海生，李 鑫，叶小艳

（西安邮电大学 电子工程学院，西安 710121）

针对北斗三号全球卫星导航系统（BDS-3）导航接收机中压控振荡器不能同时兼顾宽调谐范围与低相位噪声等问题，采用台积电（TSMC）0.18 μm射频（RF）互补金属-氧化物-半导体（CMOS）工艺设计了一款宽调谐低相噪的电感电容压控振荡器，并能够接收BDS-3中B1、B3两种频段信号。设计采用了一种压控可变电容阵列与开关电容阵列组合的结构，达到宽调谐范围与低相噪等特点，同时设计了一种可编程尾电流源阵列，通过数字控制信号使振荡器的输出摆幅更稳定。仿真结果表明：当电源电压为1.8 V时，振荡频率低频范围为2.178～2.697 GHz，高频范围为2.85～3.3 GHz；中心频率在2.5 GHz和3.1 GHz、频偏为1 MHz 时的最低相位噪声分别为-121.9 dBc/Hz及-119.5 dBc/Hz；调谐增益的变化率分别为48.93%与78.08%；功耗为3.6～3.8 mW。

压控振荡器；宽调谐；低相噪；电容阵列组合；可编程尾电流源阵

0 引言

北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system, BDS）接收机需要一个稳定的本振信号，这个本振信号由锁相环（phase-locked loop, PLL）提供，而锁相环中最重要的部分为压控振荡器（voltagecontrolled oscillator, VCO）。VCO是整体电路的“心脏”，决定整体电路性能的好坏。主流压控振荡器按其结构分为环形振荡器（ring oscillator）和电感电容压控振荡器（inductance capacitance voltage controlled oscillator, LC VCO）。虽然环形振荡器的面积小，但其相位噪声很差，工作频率低，所以高频下一般选择LC VCO[1]。在LC VCO的拓扑结构中，差分互补交叉耦合LC VCO由于其较好的相位噪声和极高的稳定性，在高频电路设计中起着重要作用。与单端LC VCO相比，差分互补LC VCO具有更好的相位噪声和较少的谐波失真，因此可制成具有高频谱纯度的稳定频率源[2]。差分互补LC VCO广泛用于许多需要高灵敏度、低相位噪声和差分操作的无线通信中。但在实际电路应用中，宽调谐范围与低相位噪声不可兼得，这使得LC VCO的性能受到极大阻碍，直接影响导航接收机的整体性能[3]。

本文在LC VCO电路中，设计了一种电容阵列组合，通过压控可变电容阵列与开关电容阵列的组合调控，使LC VCO在保持宽调谐范围内获得一个较小的调谐增益变化率，并且在输出较低相位噪声的同时，通过数字控制信号调节开关电容阵列，使振荡器可以产生两种频段的本振信号。通过调节尾电流源阵列从而控制电路中电流的大小，保证输出摆幅的稳定性。

1 LC压控振荡器设计

LC压控振荡器的电路结构如图1所示。LC压控振荡器的电感电容谐振器（LC tank）由高品质因数的片上差分对称螺旋电感L、压控可变电容阵列由金属电容C1至C4、压控变容二极管Cv1至Cv4组合的形式，6位数字信号S0至S5控制的开关电容阵列与金属电容C共同组成[4]，改变控制电压Vtune的大小进而改变频率的大小。LC压控振荡器的负阻由交叉耦合N型金属-氧化物-半导体（N-metal-oxide-semiconductor, NMOS）对管M0、M1与交叉耦合P型金属-氧化物-半导体（P-metal-oxide-semiconductor, PMOS）对管M3、M4组成，并形成正反馈网络对LC tank的损耗进行补偿使得振荡器维持振荡，尾电流由3位数字信号B0、B1、B2控制的尾电流源M5至M12组成，其中电阻R与电容C5组成滤波器，使能控制端为EN。该设计可以实现在高频和低频两个频段下的线性调谐。

图1 LC压控振荡器电路原理图

1.1 负阻的设计

式中：与为NMOS对管与PMOS对管的跨导。这种结构的设计比单独使用交叉耦合NMOS对管或者交叉耦合PMOS对管拥有更高的阻抗[5]，在相同的电流偏置下，LC tank更容易振荡，同时使得输出波形更加稳定、对称。

1.2 电感的选取

LC压控振荡器的设计目标是实现最大可能的调谐频率范围、良好的相位噪声、最小的电流消耗。这个设计要求高品质因数的LC tank，其中LC tank的主要损耗在电感器上。电感器的品质因数与损耗成反比，所以选取一个高品质因数的电感器是十分有必要的[6]。因此，本文选取了一种片上差分对称螺旋电感器L，它不仅具有很高的品质因数，其品质因数值在高频下为13、在低频下为11.2，而且使用片上差分对称螺旋电感可以减少芯片的面积，同时品质因数可以降低振荡器的相位噪声。

1.3 电容的设计

根据巴克豪森准则，可以得到LC压控振荡器的频率的表达式为

式中：为电感值；为电容值。

在设计中，希望使振荡器拥有宽的调谐范围与低的相位噪声。电感因为面积太大不适宜设计成可控型的，那么就只能从电容入手，将电容设计为两部分：压控可变电容与开关固定电容。这样可以对频率表达式式（2）变为

1.3.1 压控可变电容的设计

图3 压控可变电容结构

1.3.2 开关电容阵列的设计

图4为开关电容阵列的设计。这里的电容为金属电容，这种电容的品质因数往往很高，在100以上。通过将控制端S0的电压置为高电平，S0b的电压置为低电平使得MOS开关打开，将电容对与LC tank并联接入，从而改变振荡器输出频率的大小[8]。这样的结构可以对振荡器输出频率进行粗调谐，并通过使用二进制编码的方式使得振荡器获得更宽的调谐范围与更低的相位噪声。开关电容阵列通过低4位S0、S1、S2、S3，将高频段均匀划分成16个子频带，同样高4位S1、S2、S3、S4，将低频段均匀划分成了16个子频带，S5使振荡器在两个频段内进行切换。这既保证了每个子带相互交叠，又使得振荡器获得更宽的频率调谐范围。

图4 开关电容阵列结构

1.4 可编程开关尾电流源阵列设计

图5 可编程开关尾电流源阵列结构

2 LC压控振荡器仿真验证与分析

本文基于采用台积电（Chinese Taiwan Semi-conductor Manufacturing Company, TSMC）0.18 μm射频（radio frequency, RF）互补金属-氧化物-半导体（complementary metal–oxide–semiconductor, COMS）工艺，电源电压为1.8 V，通过使用Cadence Virtuoso平台下的spectre对LC压控振荡器进行设计仿真与功能验证。中心频率为2.5 GHz下的16条调谐曲线周期性稳态（periodic stead state, PSS）仿真曲线图如图6所示。从图6中可以直观地看到，16条曲线均匀覆盖了2.697～2.178 GHz，可调范围为519 MHz，每一条曲线都有重叠的部分，其中重叠率为70%。中心频率为3.1 GHz下的16条调谐曲线PSS仿真曲线图如图7所示。从图7中可以直观地看到，16条曲线均匀覆盖了2.85～3.3GHz，可调范围为480 MHz，每一条曲线都有重叠的部分，其中重叠率为70%。这样的设计既满足了宽的可调范围，又保证了调谐的连续性。在实际应用中受到外界环境温度或者工艺的影响，这样可以实现连续调谐。

如图8所示，在中心频率为2.5 GHz下的瞬态仿真，可以看到振荡器在短时间内迅速振荡，其振幅在稳定的增长。将振荡器的输出波形放大后，可以清楚地看到波形对称性与完整程度良好，其振荡的幅度在1.2 V。

图6 中心频率为2.5 GHz下16条调谐曲线PSS仿真

图7 中心频率为3.1 GHz下16条调谐曲线PSS仿真

图8 中心频率为2.5 GHz下的瞬态仿真

图9为在中心频率为3.1 GHz下的瞬态仿真，从图9可以看到振荡器在短时间内迅速振荡，其振幅在稳定的增长。将振荡器的输出波形放大后，可以清楚地看到波形对称性与完整程度良好，其振荡的幅度在1.42 V。

图10、图11分别是中心频率为2.5、3.1 GHz下的16条相位噪声曲线——周期性噪声（periodic noise, PNoise）仿真图。从图10可以看到，振荡器在1 MHz频偏处最低的相位噪声为-121.9 dBc/Hz。从图11可以看到，振荡器在1 MHz频偏处最低的相位噪声为-119.5 dBc/Hz。高频和低频下的相位噪声较好，振荡器输出频率的纯净度较好。

图10 中心频率为2.5 GHz下相位噪声仿真

图11 中心频率为3.1 GHz下相位噪声仿真

图12、图13分别是在中心频率为2.5、3.1 GHz下调谐增益K仿真图。从图12中可以看出，调谐增益K随调谐电压Vtune的变化范围在60.17～ 117.83 MHz/V，其变化率为48.93%。从图13中可以看出，调谐增益K随调谐电压Vtune的变化范围在9.09～ 41.48 MHz/V，其变化率为78.08%。它们的变化范围较小，振荡器线性度较好。

图12 中心频率为2.5 GHz下调谐增益Kv仿真

图13 中心频率为3.1 GHz下调谐增益Kv仿真

表1将本文设计的LC压控振荡器与近年来使用相同工艺的和频段范围设计的LC压控振荡器做了比较。从表1中可以看出，本文设计在调谐范围、调谐增益、功耗与相位噪声等方面有一定的优势与应用前景。

表1 本文设计与其他文献设计LC-VCO的性能对比

3 结束语

本文设计了一个应用于导航接收机中宽调谐范围低相位噪声的LC压控振荡器电路，并能够接收北斗三号全球卫星导航系统中B1、B3两种频段信号。该振荡器采用了压控可变电容设计，对振荡频率进行细调谐；开关电容阵列技术，有效地拓宽了振荡器调谐范围、减小了调谐增益变化，并达到低相位噪声的要求；可编程开关尾电流源阵列的设计，保证了振荡器输出波形的摆幅变化不大。测试结果表明，当电源电压为1.8 V时，频率覆盖范围为低频下2.178～2.697 GHz，高频下2.85～3.3 GHz；中心频率在2.5 GHz和3.1GHz、频偏为1 MHz时的最低相位噪声分别为-121.9 dBc/Hz及 -119.5 dBc/Hz；调谐增益的变化率分别为48.93%与78.08%；功耗为3.6～3.8 mW。

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Design of wide tuning LC VCO in BDS navigation receiver

LEI Siwei, HUANG Haisheng, LI Xin, YE Xiaoyan

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

In order to solve the problem that the Voltage Controlled Oscillator (VCO) of BeiDou-3 navigation satellite System (BDS-3) navigation receiver can not take into account the wide tuning range and low phase noise at the same time, a inductance capacitance (LC) VCO with wide tuning and low phase noise is designed using Chinese Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) 0.18 μm Radio Frequency (RF) Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) technology, and can receive the signals of B1 and B3 frequency bands in BDS-3. In this paper, a structure of voltage controlled variable capacitor array and switched capacitor array was proposed to achieve the characteristics of wide tuning range and low phase noise. At the same time, a programmable tail current source array was designed to stabilize the output swing of the oscillator by digital control signal. The test results showed that: when the power supply was 1.8 V, the oscillation frequency was 2.178-2.697 GHz at low frequency and 2.85-3.3 GHz at high frequency; the phase noise of center frequency at 2.5 GHz and 3.1 GHz was -121.9 dBc/Hz at 1 MHz and -119.5 dBc/Hz at1 MHz.The change rate of tuning gain was 48.93% and 78.08%, and the power consumption was 3.6-3.8 mW.

voltage controlled oscillator; wide tuning; low phase noise; capacitor array combination; programmable tail current source array

P228

A

2095-4999(2021)06-0024-05

雷思伟，黄海生，李鑫，等. BDS导航接收机中宽调谐LC压控振荡器设计[J]. 导航定位学报, 2021, 9(6): 24-28.（LEI Siwei，HUANG Haisheng，LI Xin, et al. Design of wide tuning LC VCO in BDS navigation receiver[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2021, 9(6): 24-28.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20210604.

2021-03-10

国家自然科学基金——地区科学基金项目（61661049）。

雷思伟（1995—），男，陕西西安人，硕士研究生，研究方向为模拟集成电路设计。

黄海生（1964—），男，陕西榆林人，硕士，教授，研究方向为专用集成电路设计与系统研究。