基于可變電容反饋技術(shù)的寬帶VCO設(shè)計(jì)

王 靜，王 濤，黃國恒

(1. 廣東工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院，廣東 廣州 510006；2. 廣東工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 廣州 510006)

0 引言

近年來，由于高數(shù)據(jù)速率在無線通信中發(fā)展的需求越來越高，使在其中運(yùn)行的更高頻段的射頻集成電路變得越來越受歡迎。壓控振蕩器(VCO)作為全集成收、發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)中的一個重要模塊，得到了研究人員越來越多的關(guān)注。為了滿足便攜式收、發(fā)信機(jī)的需求，要求VCO必須同時具有低功耗、低相位噪聲及寬調(diào)諧范圍的優(yōu)越性能。

目前，改進(jìn)差分VCO調(diào)諧范圍(TR)和相位噪聲特性的技術(shù)已有報道。文獻(xiàn)[1]為了實(shí)現(xiàn)VCO較寬的調(diào)諧范圍，將電路工作于偶、奇模兩種工作模式下，然而，該技術(shù)較難實(shí)現(xiàn)高頻段下的偶、奇模兩種工作頻段的疊加，因而在較高頻段下，較難實(shí)現(xiàn)較寬的調(diào)諧范圍。在文獻(xiàn)[2]中，通過在跨導(dǎo)gm單元連接模擬調(diào)諧變?nèi)荻O管的方式，實(shí)現(xiàn)了寬調(diào)諧范圍。但此種結(jié)構(gòu)的變?nèi)荻O管在微波頻段性能較差，很難實(shí)現(xiàn)VCO的低相位噪聲特性。文獻(xiàn)[3]采用NMOS開關(guān)電感實(shí)現(xiàn)了較高的調(diào)諧范圍，卻是以惡化相位噪聲為代價的，且該設(shè)計(jì)所占芯片面積較大，增加了芯片設(shè)計(jì)的成本。

為了進(jìn)一步優(yōu)化射頻頻段VCO的性能，本文提出了一種用于展寬射頻VCO調(diào)諧范圍的新型技術(shù)，該技術(shù)采用可變電容反饋結(jié)構(gòu)，在不影響相位噪聲的前提下，實(shí)現(xiàn)了較寬的調(diào)諧范圍。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，本文所提電容陣列中的開關(guān)、無諧振回路負(fù)載及該技術(shù)不產(chǎn)生到地的低阻抗通路，不會影響諧振回路的性能。與交叉耦合VCO相比，由于Colpitts VCO結(jié)構(gòu)具有更優(yōu)的脈沖靈敏度函數(shù)[4]，因而具有較低的相位噪聲特性。本文采用Colpitts VCO結(jié)構(gòu)作為電路的核心，同時在電路設(shè)計(jì)中，本文也對VCO功耗和振蕩開啟條件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 本文提出的寬帶技術(shù)

影響VCO相位噪聲的因素較多，其中LC諧振回路的品質(zhì)因數(shù)對其影響較大[5-6]。為了應(yīng)對VCO設(shè)計(jì)的各種難題，目前已出現(xiàn)了多種改進(jìn)技術(shù)，如差分電容陣列和差分開關(guān)等技術(shù)。雖然這些技術(shù)相對于單端VCO而言可實(shí)現(xiàn)較優(yōu)的性能，但產(chǎn)生了到地的低阻抗通路，影響到諧振回路的性能。為了降低開關(guān)阻抗，傳統(tǒng)的電容陣列尺寸較大，嚴(yán)重惡化了調(diào)諧范圍。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，本文提出的開關(guān)結(jié)構(gòu)的開關(guān)寄生電容較低，且在該結(jié)構(gòu)中，電容陣列與反饋電容并聯(lián)，進(jìn)一步優(yōu)化了VCO的調(diào)諧范圍。同時，由于頻率的控制靈敏度得到了優(yōu)化，也進(jìn)一步抑制了器件的閃爍噪聲，優(yōu)化了電路的相位噪聲。圖1為兩種差分Colpitts VCO結(jié)構(gòu)。圖中，VDD為電源電壓，電感L和變?nèi)荻O管CVAR組成諧振回路，VCTRL為調(diào)諧電壓，C1和C2為反饋電容，C3和C4為開關(guān)電容陣列，IBIAS為電路提供偏置電流。

圖1 差分Colpitts VCO結(jié)構(gòu)

為了對圖1所示的兩種電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，假設(shè)這兩種結(jié)構(gòu)均工作于同一個頻率，且具有相同的開關(guān)尺寸。在傳統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)中，由于在輸出端口并聯(lián)有額外的電容，導(dǎo)致振蕩頻率略低。因此，為了實(shí)現(xiàn)兩種結(jié)構(gòu)振蕩頻率的相等，可在所提出的電路結(jié)構(gòu)中采用較大的電容值。為了理論分析方便，給出的兩種半邊電路的小信號模型如圖2所示。RONP，CP3分別為傳統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)RC系列網(wǎng)絡(luò)的等效并聯(lián)電阻和電容，RONP_NEW，CP_NEW分別為本文提出電路結(jié)構(gòu)的等效總并聯(lián)電阻和總并聯(lián)電容，LP和RP分別為諧振回路損耗的等效電感和等效電阻，Ceq為諧振回路的等效電容。

圖2 傳統(tǒng)及本文提出開關(guān)網(wǎng)絡(luò)半邊電路的小信號等效模型

經(jīng)理論分析可知：

C1=C2=C

(1)

RON3=RON4=RON

(2)

QC3=QC4=Q

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式子：RON3、RON4分別為開關(guān)陣列電容C3、C4的開關(guān)電阻；QC3、QC4分別為電容C3、C4上的品質(zhì)因數(shù)。

由圖2可見，假設(shè)這兩種結(jié)構(gòu)中陣列電容的品質(zhì)因數(shù)相等(見式(3)),在高頻頻段操作下，Colpitts VCO結(jié)構(gòu)中，反饋電容C1的阻抗遠(yuǎn)小于C4的阻抗，因此，式(6)成立。當(dāng)這兩種結(jié)構(gòu)均工作相同頻率時，則式(7)成立。

RONP_NEW和CP_NEW分別為

(8)

(9)

比較式(4)、(8)可見，本文電路結(jié)構(gòu)具有較高的等效并聯(lián)電阻，因而其諧振回路的品質(zhì)因數(shù)較優(yōu)，可實(shí)現(xiàn)較低的相位噪聲性能。在與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)同等的相位噪聲下，本文新結(jié)構(gòu)可采用較小的開關(guān)尺寸，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)諧振范圍的展寬。

基于上述理論分析，所提出的電容陣列似乎可與C1并聯(lián)，也可與C2并聯(lián)。但電容陣列更適合與C1并聯(lián)，其原因是：

1) 為了抑制電路的閃爍噪聲，應(yīng)該使晶體管M1和M2源端的寄生電容盡量最小化，在電容C1兩端并聯(lián)電容陣列可實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)。

2) 晶體管M1和M2源端的寄生電容比漏端寄生電容大，而如果電容C2兩端并聯(lián)電容陣列，則會進(jìn)一步增大源端的寄生電容，進(jìn)而減小VCO的調(diào)諧范圍。

3) VCO的振蕩幅度A、功率效率η和噪聲系數(shù)F分別為

(10)

(11)

(12)

由式(12)可見，增大C1，可降低噪聲系數(shù)F，進(jìn)而優(yōu)化相位噪聲;相反的，如果增大C2，則會惡化相位噪聲特性。

2 電路設(shè)計(jì)與測試

圖3為本文所提出的Colpitts VCO的完整電路圖。晶體管M1和M2作為VCO電路的核心器件，與由電容C1和C2組成的電容反饋網(wǎng)絡(luò)一起產(chǎn)生電路振蕩開啟所需的負(fù)阻抗。由式(10)～(12)可知，為了取得較優(yōu)的相位噪聲和功率效率，C1和C2值應(yīng)相同。

圖3 Colpitts VCO的完整電路圖

為了驗(yàn)證所提出技術(shù)的有效性，本文采用90 nm CMOS工藝對電路進(jìn)行設(shè)計(jì)并流片實(shí)現(xiàn)。圖4為流片實(shí)現(xiàn)的VCO芯片照片，芯片為0.45 mm2。該芯片在1 V電壓供電下，消耗了5.8 mW。圖5為振蕩頻率的測試結(jié)果，圖中00，01，10，11代表了4種開關(guān)模式。由圖可見，振蕩頻率為24.2～32.1 GHz，本文所提出的VCO取得了28.1%的調(diào)諧范圍。在28.2 GHz振蕩頻率下，測試得到的相位噪聲隨著調(diào)諧電壓變化的曲線如圖6所示，相位噪聲為-101.9 dBc/Hz@1 MHz。

圖4 VCO芯片照片

圖5 VCO振蕩頻率測試結(jié)果

圖6 相位噪聲測試結(jié)果

表1為所設(shè)計(jì)的VCO與文獻(xiàn)[7-10]相比的結(jié)果。其中，為了便于對VCO整體性能進(jìn)行評價，調(diào)諧范圍的品質(zhì)因數(shù)QT為

(13)

式中:L(Δf)為VCO在偏移頻率Δf下的相位噪聲；fosc為振蕩頻率；Pdiss為電路所消耗的功耗；TR為調(diào)諧范圍。

表1 所設(shè)計(jì)的VCO與文獻(xiàn)相比的結(jié)果

該VCO在中心振蕩頻率28.2 GHz處，消耗了5.8 mW的功耗，取得了-101.9 dBc/Hz@ 1 MHz的相位噪聲，取得了28.1%的調(diào)諧范圍,計(jì)算得到的QT為-192.2 dBc/Hz。

3 結(jié)束語

本文提出了一種基于Colpitts結(jié)構(gòu)、改善調(diào)諧范圍和相位噪聲的優(yōu)化技術(shù)。該技術(shù)通過可變電容反饋的采用，可實(shí)現(xiàn)較大的等效并聯(lián)電阻，進(jìn)而在不影響諧振回路品質(zhì)因數(shù)的前提下，實(shí)現(xiàn)了VCO調(diào)諧范圍的展寬。為了驗(yàn)證所提出技術(shù)的有效性，本文采用90 nm CMOS工藝對電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)并流片實(shí)現(xiàn)，所實(shí)現(xiàn)的VCO取得了28.1%的調(diào)諧范圍，歸一化品質(zhì)因數(shù)QT達(dá)到-192.2 dBc/Hz。