基于電流復(fù)用技術(shù)的亞mW級(jí)CMOS VCO設(shè)計(jì)

，

(1.南陽(yáng)理工學(xué)院， 河南南陽(yáng) 473004；2.鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院， 河南鄭州 450001)

0 引言

移動(dòng)收發(fā)機(jī)逐漸向高數(shù)據(jù)速率、多頻帶以及多標(biāo)準(zhǔn)化的特性發(fā)展，單個(gè)收發(fā)機(jī)就具有用于多種標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)送和接收通道，為了盡快使其實(shí)用化，對(duì)收發(fā)機(jī)中相關(guān)模塊的功耗提出了越來(lái)越嚴(yán)格的要求[1]。壓控振蕩器(VCO)作為收發(fā)機(jī)中的主要模塊，在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要同時(shí)考慮相位噪聲、調(diào)諧范圍以及功耗等性能指標(biāo)。

目前，CMOS VCO主要可分為環(huán)形VCO和LC VCO兩類(lèi)，LC VCO的相位噪聲通常優(yōu)于環(huán)形VCO，因此得以廣泛應(yīng)用。LC VCO主要由負(fù)阻產(chǎn)生器以及諧振回路組成，負(fù)阻產(chǎn)生器由交叉耦合晶體管對(duì)實(shí)現(xiàn)，諧振回路由在片電感和變?nèi)荻O管實(shí)現(xiàn)。

為了降低射頻電路的功耗，提高能源效率，研究者提出了電流復(fù)用技術(shù)，例如文獻(xiàn)[2-3]所設(shè)計(jì)的放大器，文獻(xiàn)[4]更是利用該技術(shù)設(shè)計(jì)了一款功耗僅為1 mW的電流復(fù)用技術(shù)(CR) VCO。典型的CR VCO電路是非對(duì)稱(chēng)的，因此它的輸出振幅平衡度較差。針對(duì)該缺點(diǎn)，文獻(xiàn)[4]提出了電阻補(bǔ)償技術(shù)，然而該技術(shù)只適用于特定的頻率范圍。為了克服此缺陷，本文提出了一種先進(jìn)的補(bǔ)償技術(shù)，該技術(shù)能夠在足夠?qū)挼念l率范圍內(nèi)改善輸出振幅的平衡性。

1 CR VCO的補(bǔ)償技術(shù)

圖1為不包含有振幅補(bǔ)償技術(shù)的典型CR VCO電路圖，由于電路的非對(duì)稱(chēng)特性，導(dǎo)致A點(diǎn)和B點(diǎn)處的阻抗不相等，進(jìn)而導(dǎo)致振幅非平衡，因而出現(xiàn)了多種補(bǔ)償技術(shù)。

圖1 典型CR VCO的電路圖

圖2(a)給出了一種振幅補(bǔ)償技術(shù)，在NMOS的源端插入補(bǔ)償電阻RC[4-5]。由于該技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)，得以廣泛應(yīng)用。然而，節(jié)點(diǎn)A和B處的阻抗隨著振蕩頻率的變化而變化，使其僅適用于特定的頻率范圍，并且，在片電阻也會(huì)受到工藝波動(dòng)的影響。

為了消除工藝波動(dòng)的影響，可用MOS晶體管代替電阻，如圖2(b)所示[6]。通過(guò)調(diào)節(jié)VB，將圖2(b)中的補(bǔ)償晶體管MC偏置于線(xiàn)性區(qū)域，相當(dāng)于可變電阻，因而消除了在片電阻的工藝波動(dòng)影響。為了實(shí)現(xiàn)每個(gè)振蕩頻率對(duì)應(yīng)特定的VB，應(yīng)該采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)電路產(chǎn)生VB，導(dǎo)致了較大的功率消耗。

圖2(c)為自發(fā)式跨導(dǎo)匹配(STM)技術(shù)的示意圖[7]，在傳統(tǒng)的CR VCO電路中插入兩個(gè)補(bǔ)償晶體管M3和M4，兩個(gè)晶體管都被偏置在線(xiàn)性工作區(qū)，使其等效為電壓控制的電阻器。它的工作原理為首先探測(cè)非平衡振幅，然后將振幅誤差反饋回補(bǔ)償晶體管的柵極，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。STM能夠在不額外增加DAC的前提下，實(shí)現(xiàn)整個(gè)振蕩頻率范圍內(nèi)的補(bǔ)償，然而由于STM技術(shù)存在4個(gè)堆疊的晶體管，使其工作時(shí)需要采用較高的工作電壓，限制了功耗的降低。

(a)電阻技術(shù)

(b)晶體管技術(shù)

(c)STM技術(shù)圖2 補(bǔ)償技術(shù)

2 設(shè)計(jì)理論

2.1 CR回路

圖3給出了典型CR VCO的小信號(hào)模型，經(jīng)計(jì)算，可得有效輸入導(dǎo)納Yin為

(1)

式中，gmn和gmp分別為晶體管NMOS和PMOS的跨導(dǎo)，n和p分別定義為

(2)

(3)

式中，gmbn和gmbp分別為晶體管NMOS和PMOS的體跨導(dǎo)，VBSn和VGSn分別為NMOS管的襯底-源極間電壓和柵-源極間電壓，VSBp和VSGp分別為PMOS管的襯底-源極間電壓和柵-源極間電壓，ηn和ηp為與晶體管工藝相關(guān)的參數(shù)，正比于體效應(yīng)系數(shù)γ。

圖3 CR VCO的小信號(hào)模型

假設(shè)晶體管NMOS和PMOS完全對(duì)稱(chēng)，那么式(1)可簡(jiǎn)化為

(4)

由上式可見(jiàn)，如果消除晶體管的體效應(yīng)，Yin等于-gm/2，此刻等效于交叉耦合晶體管對(duì)。

為了使電路可工作于低電壓下，可采用體偏置技術(shù)，該技術(shù)能夠減小晶體管的閾值電壓，使其可在低電壓下工作。然而，體偏置電壓的引入增大了電路的直流電流，增加了功耗。在VCO電路設(shè)計(jì)中，需要綜合考慮相位噪聲、工作電壓、調(diào)諧范圍以及功耗等指標(biāo)。

通常情況下，將Yin的絕對(duì)值設(shè)置成LC諧振回路總跨導(dǎo)的3倍大小，以確保VCO在任何狀態(tài)下都能開(kāi)啟振蕩狀態(tài)。自偏電壓VGSn和VSGp的大小決定于晶體管的尺寸，最優(yōu)化柵極電壓設(shè)置成漏極供電電壓的一半大小，以取得最大的輸出電壓擺幅，降低相位噪聲。

2.2 基于STM的改進(jìn)技術(shù)

圖1中，節(jié)點(diǎn)A和B處的電壓分為

vA(t)=zA(t)[gMp(t)+gMBp(t)]·vSG(t)

(5)

vB(t)=zB(t)[gMn(t)+gMBn(t)]·vGS(t)

(6)

式中，zA(t)和zB(t)分別為節(jié)點(diǎn)A和B處的有效阻抗，這兩者的大小取決于MOS晶體管的尺寸和LC諧振回路。由于圖1電路結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱(chēng)性，導(dǎo)致zA(t)≠zB(t)，進(jìn)而導(dǎo)致輸出信號(hào)振幅的非平衡性。

為了保持兩個(gè)輸出信號(hào)的一致性，應(yīng)該使得vA(t)=vB(t)，因此有

[gMn(t)+gMBn(t)]zB(t)=[gMp(t)+gMBp(t)]zA(t)

(7)

其中，為了使電路保持穩(wěn)定振蕩，上式假設(shè)了vGS(t)和vSG(t)的相位差為180°。

在振蕩狀態(tài)下時(shí)，在振蕩頻率ω處持續(xù)輸出差分信號(hào)。當(dāng)兩個(gè)輸出信號(hào)發(fā)生電壓幅度不一致的情況時(shí)，電路將會(huì)產(chǎn)生誤差反饋電壓vN，表達(dá)式為

vN(ωt)=V0cos(ωt)+(V0-δV)cos(ωt-π)=

δVcos(ωt)

(8)

vN(ωt)與振幅偏差成正比，而振幅偏差可由中心抽頭電感獲取。如圖2(c)所示的STM技術(shù)中，引入補(bǔ)償PMOS晶體管M3和NMOS晶體管M4，通過(guò)從電感LT獲取的誤差電壓來(lái)保持輸出振蕩電壓幅度的平衡狀態(tài)，然而由于STM技術(shù)存在4個(gè)堆疊的晶體管，使其工作時(shí)需要采用較高的工作電壓。

為了使電路能夠在較小的電壓下工作，本文對(duì)STM技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的技術(shù)僅包含有一個(gè)補(bǔ)償晶體管，如圖4所示。改進(jìn)的STM(m-STM)技術(shù)不僅可以保持輸出信號(hào)振幅的平衡，還可以消除掉原STM技術(shù)中M4晶體管的噪聲，進(jìn)而優(yōu)化VCO相位噪聲。

圖4 改進(jìn)STM CR VCO的電路圖

圖4中M2的有效跨導(dǎo)gm2為

式中，kp2和kp3為器件工藝相關(guān)參數(shù)，與柵極寬長(zhǎng)比成正比例關(guān)系，Vth3為晶體管M3的閾值電壓，VDD和ID分別為直流電壓和電流。電路中M3偏置在線(xiàn)性區(qū)域，作為受電壓控制的可變電阻，vN用于控制晶體管M2的柵源間電壓，進(jìn)而決定M2的跨導(dǎo)。

當(dāng)發(fā)生振幅偏差時(shí)，電路產(chǎn)生誤差電壓vN，M3的柵極電壓向反方向改變，也就是gm2對(duì)于vN的偏導(dǎo)數(shù)小于零。因而，gm2被誤差電壓vN所補(bǔ)償進(jìn)而發(fā)生改變，直至兩個(gè)輸出信號(hào)幅度相等。

3 亞毫瓦級(jí)CR VCO設(shè)計(jì)與測(cè)試

本文所提出的采用m-STM技術(shù)的CR VCO如圖4所示，晶體管M1和M2構(gòu)成負(fù)導(dǎo)納產(chǎn)生電路，并且M1和M2分別通過(guò)電阻R1和R2采用體偏置方式。由式(1)可見(jiàn)，采取體偏壓方式改善了電路負(fù)導(dǎo)納并且降低了晶體管的閾值電壓[8]，電路節(jié)點(diǎn)A和B處的電壓設(shè)置成0.42 V，反饋給M1和M2的體端。

在片螺旋電感LT和累積型MOS變?nèi)莨蹸V構(gòu)成諧振回路，并且電感需要有中心抽頭以用于檢測(cè)節(jié)點(diǎn)A和B處的電壓幅度偏差，進(jìn)而在節(jié)點(diǎn)N處產(chǎn)生誤差電壓vN。補(bǔ)償晶體管M3的柵極受誤差電壓vN控制，進(jìn)而自動(dòng)調(diào)節(jié)M3的跨導(dǎo)以保持輸出信號(hào)的平衡性。

基于SMIC 0.18 μm RF CMOS工藝對(duì)圖4所示的VCO進(jìn)行流片實(shí)現(xiàn)，圖5所示即為該VCO的芯片照片，大小為0.62 mm×0.73 mm。該VCO在1 V電壓供電下，消耗了0.8 mW的功耗，版圖后仿真結(jié)果顯示功耗為0.74 mW，與實(shí)測(cè)結(jié)果相接近。測(cè)試數(shù)據(jù)采用頻譜分析儀Agilent N9030A對(duì)VCO的振蕩頻率和相位噪聲進(jìn)行在片測(cè)試，隨著控制電壓VT從0 V到1 V變化時(shí)，測(cè)試的輸出振蕩頻率為2.05～2.68 GHz，調(diào)諧范圍為26.3%，如圖6所示。相位噪聲的測(cè)試采用頻譜分析儀Agilent N9030A中固有的相位噪聲測(cè)試模式，圖7給出了在振蕩頻率2.4 GHz處VCO相位噪聲的測(cè)試結(jié)果，由圖可見(jiàn)，相位噪聲達(dá)到-117.6 dBc/Hz@1 MHz。圖8給出了VCO輸出功率的測(cè)試結(jié)果，可見(jiàn)輸出功率為-1.3～2 dBm，具有較高的功率，足以驅(qū)動(dòng)下一級(jí)電路。

表1總結(jié)了本文所設(shè)計(jì)的VCO的性能，并且與其他文獻(xiàn)所報(bào)道的VCO性能進(jìn)行了比較[4,6-7, 9-10]，表中FOMT采用式(10)的表達(dá)式計(jì)算得到。由表可見(jiàn)，本文所提出并設(shè)計(jì)的VCO的綜合性能優(yōu)于其他文獻(xiàn)。

(10)

圖5 m-STM CR VCO的芯片照片

圖6 振蕩頻率的測(cè)試結(jié)果

圖7 相位噪聲的測(cè)試結(jié)果

圖8 輸出功率的測(cè)試結(jié)果

表1 CMOS VCO比較結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文首先研究了CR VCO的振幅補(bǔ)償技術(shù)，然后提出了m-STM技術(shù)以保持振蕩輸出信號(hào)的平衡性。相比較于傳統(tǒng)的STM技術(shù)而言，m-STM技術(shù)通過(guò)移除一個(gè)晶體管的方式，使VCO能夠工作于較低的電壓下，消耗的功耗較低，并且采用體偏置技術(shù)，減小了晶體管的閾值電壓，進(jìn)一步降低了工作電壓，降低了功耗。芯片實(shí)測(cè)結(jié)果表明，本文所提出的VCO在僅消耗0.8 mW功耗的情況下，振蕩頻率為2.05～2.68 GHz，調(diào)諧范圍高達(dá)26.3%，并且相位噪聲低至-117.6 dBc/Hz@1 MHz。

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