2[1].4+GHz低相位误差低相位噪声CMOS+QVCO设计

咿魅怂测磐发２．４ＧＨｚ低相位误差低相位噪声ＣＭＯＳＱＶＣＯ设计高慧，吕志强，来逢昌（哈尔滨工业大学微电子中心，哈尔滨１５０００１）摘要：提出了一种新型的适用于锁相环频率夸成器的正交压控振荡器（Ｑｖｃ０）结构，分析了ＯｖｃＯ的工作原理及其相位噪声性能。

ＡＤｓ仿真结果表明，电路工作在２．４ＧＨｚ、偏离中心频率６００ｋＨｚ的情况下相位噪声为一１１５．４ｄＢｃ／Ｈｚ，在１．８ｖ电源下功耗仪为２．９ｍｗ，输出信号的相位误差小于Ｏ．１９。

结果还表明相对于目前流行的Ｏｖｃ０结构，提出的结构实现了低相位误差、低功耗、高，０Ｍ值。

关键词：正交压控振荡器；相位噪声；相位误差；品质因数中图分类号：ＴＮ７５２文献标识码：Ａ文章编号：１００３．３５３ｘ（２００７）１１－０９８８—０４Ｄｅｓｉｇｎｏｆ２．４ＧＨｚＬｏｗ－Ｐｈａｓｅ－ＥｒｒｏｒＬｏｗ－Ｐｈａｓｅ－ＮｏｉｓｅＣＭｏＳＱＶＣ０ＧＡ０Ｈｕｉ，ＬＯＺｈｉ－ｑｉａｎｇ，ＬＡＩＦｅｎｇ—ｃｈ锄ｇ（肼ｂ捌跏豳ｃ咖，肼缸ｋ血妇矿７‰缸影，黝缸１５０００１，ｃＭＭ）Ａｂｓｎ譬ｃｔ．ＡｎｏｖｅｌＬｃｑＩｌａｄｒ砒Ｉ珊ｖｏｌｔａｇｅ－ｃｏｎⅡ柚ｌｅｄ０８ｃｉｌｈｔｏｒ（ＱＶｃＯ）ｗ鹅ｄｅＢｉ印ｅｄｆｏｒＰｈ船ｅ—ｌｏｃｋｅｄ１００ｐ雠ｑｕｅⅡｃｙｓｙｍｈｅｓｉ北ｒ．Ｔｈ８叩ｅｍｔｉｏｎｐｄｎｃｉｐｌｅ且ｎｄｐｈａ８ｅｎｏｉｓｅｏｆｔｈｅＱＶｃＯｗｅｒｅ粕嘶ｚｅｄ，ＡＤｓＢｉ圳１“ｏｎｒｅＢｕｌｔｓ８ｈｏｗｔ｝ｌａｌｔｈｅｃｉ工ｃｕ“ａｃｈｉｅｖｅｓｔｈｅｐｈ踟ｎｏｉ∞０ｆ一１１５．４ｄＢｃ／｝Ｉｚａｔ６００ｋ№ｏｆｆｓｅｔ，ａ１１ｄｐｏｗｅｒｄｉｓｓｉｐ砒ｉｏｎｏｎｌｙ２．９ｍｗｆｈｔｈｅｗｈｏｌｅＱＶｃ０ａｔｔｌｌｅｖｏｌｔ８９ｅＢ“ｐｐｌｙ０ｆ１．８Ｖ．ｎｅｐｈａ跎ｅｍｒｂｅｆｗｅｅｎＩａｎｄＱｓｉｇＩ“ｓｉＢ且ｔｍ０８ｔＯ．１９。

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为了增加数据传输速度，避免信息的损失，一般选用两路成正交信号处理通道的接收机，这样一个准确的正交相位输出本振源就成为现代无线收发机中的关键模块。

目前，实现相位正交输出压控振荡器的方法有多种“Ｊ。

一是采用Ｒｃ．ｃＲ网络，其主要缺点在于占用芯片面积大，相位误差主要取决于器件的匹配程度。

第二种方法是频率除法器，其主要缺点在于ｖｃｏ提供的频率需要是输出频率的２倍，导致功耗增加，而且正交性能会受到ＶｃＯ输出波形占空比的影响。

第三种选择是无源多相网络，但是多相滤９ＳＳ半导体技术第３２卷第１】期波器会带来很大的信号衰减，因此需要另外增加放大级来放大信号，这也将引人很大的系统功耗。

第四种方法是采用正交压控振荡器（ＯｖｃＯ），直接将两个相同的Ｌｃ．ｖｃＯ耦台在一起。

尽管相对于单个ｖｃＯ来说功耗和面积会有所增加，但由于其输出信号具有相位噪声小、正交特性好的优点，ＯｖｃＯ得到了广泛的应用。

本文提出一种适用于锁相环型频率综合器的低相位误差、低功耗、低相位噪声的Ｑｖｃ０。

在综合比较相位噪声、相位误差、功耗及调谐范围的基础上，相对于同类结构提出的ＱｖｃＯ性能更为优良。

２电路设计正交压控振荡器的原理是将两个相同的Ｌｃ—ｖｃＯ耦合在一起，这样就能强制两个ｖｃＯ输出相位间隔９００的四路信号，其结构和相位如图ｌ所示。

２００７年１１月万方数据高慧等：２．４Ｇ｝Ｉｚ低相住误差低相位噪声ｃＭｏｓＱｖｃＯ设计００８旷图ｌＱＶｃＯ的框图及相位图２为提出的ＱｖｃＯ结构图。

ＱｖｃＯ的振荡单元采用交叉耦合互补结构，其主要的优势为”Ｊ：①在电流一定的情况下互补结构能够提供较高的跨导，使得交叉耦台差动对的开关速度加快；②互补结构的上升时间和下降时间具有更好的对称性，使ｌ／尸噪声的转角频率下降；③对于全ＮＭｏｓ结构来说，漏端电压为电源％。

，降落在沟道上的直流电压比较大，因此速度饱和效应增强，７值增大。

图２ＱＶｃＯ结构ＱｖｃＯ的振荡单元由Ｌｃ谐振回路，以及交叉耦合的ＮＭＯｓ和ＰＭｏｓ晶体管对构成。

交叉耦合结构的晶体管对给振荡器提供负疆，以抵消工￡谐振腔内元件的寄生电阻，维持一个稳定振幅的振荡，因此这种类型的ＬｃｖｃＯ也被称为负阻振荡器。

ＬＣ谐振回路中的电感采用片上螺旋线电感实现，电容采用一对背靠背连接的ＭＯｓ管可变电容器实现。

对于Ｑｖｃ０来说，通常有两种耦合方式，耦台管与开关管并联（ｎＱｖｃＯ）和串联（ｓ－ＱｖｃＯ）。

在Ｐ．ＯｖｃＯ中相位误差与耦台强度具有很强的函数关系，导致了二者之间的折衷。

而在ｓ．ＱＶｃｏ中，相位误差仅仅是耦合强度的弱函数，因此相位噪声和相位误差性能可以同时得到优化”Ｊ。

尾电流源采用单个晶体管实现，而不是两个晶体管分别为ｖｃＯ提供尾电流。

这种方法可以使偏置电流在整个振荡周期中更有效地分布于嚼个耦台振荡器中，而且采用单个晶体管的尾电流源的相位精确度要略微优于两管分别提供尾电流的结构【４』。

采用尾电容可以在一定程度上改善相位噪声性能＂３。

在振荡过程中每个ＮＭ０ｓ管开启一次，尾电流源结点处的电压上拉一次，造成尾电流源结点处电压的额率为振荡频率的２倍。

因此振荡频率的偶次谐波处的噪声分量对相噪有十分重要的影响，尾电容可以滤除大部分高频噪声成分。

３相位噪声分析相位噪声是压控振荡器最为重要的技术指标之一。

压控振荡器中主要的噪声源包括Ｌｃ振荡回路、有源器件和尾电流源晶体管三部分。

ｖｃＯ的相噪通常与几个重要参数有关。

ｋｅ∞ｎ＿６１提出了一个半经验公式来描述相位噪声，其表达式为啦）＝掣（轰）２（－＋警）（１）式中：Ａｏ为电压摆幅；丑。

为谐振回路谐振时的阻抗；口为谐振回路的品质因数；，为过量噪声因子；△＾，，为电路噪声的ｌ／，转角频率；，ｍ为频率偏移；矗为振荡频率。

根据‰模型优化相噪的第一步是使谐振回路的品质因数最大，而谐振回路的品质因数主要取决于电感的品质因数。

在电感和电容的值确定后，需要调节ＭＯｓ管的尺寸。

为了达到较好的相噪特性，上升时间和下降时间需要保持一定的对称性。

负载晶体管以及耦合管的尺寸必须谨慎地选择以便满足单端对称性原则，其关系式表示为ＩｌＩｐｏｌ…瓦＋≯瓦５瓦’面¨，式中。

表示耦合强度，定义为ｎ＝鲁㈣假设所有的晶体管具有相同的沟道长度，形。

代表耦合管Ｍ。

ｍ的宽度。

形。

．代表与耦合管串联的开关管Ｍ。

，．的宽度。

产０１是Ｍ巩的载流子迁移率，Ｐ０２是Ｍ。

的载流子迁移率。

当ｎ值确定后，形。

的大小则取决于Ⅳ。

的大小。

图３描述了ＯｖｃＯ中的噪声源。

由于有源器件中电流和电压呈周期性变化，通常这些噪声源是周期静止的。

通过一种简化的静止分析方法，噪声源的影响可以通过功率谱密度在一个周期中最敏感的时刻来衡量（例如，谐振回路的差分输出电压过零点）。

图４＜ａ）表示在这一平衡时刻噪声源的简化模型。

由于ＰＭｏｓ晶体管和ＮＭＯｓ晶体管采用相同¨，万方数据高慧等：２．４ＧＨｚ低相住｛是差低相位噪声ｃＭ０ｓＱＶｃＯ设计的连接方式连接到Ｌｃ谐振回路上，图中只给出了囝３带有噪声源的ＱＶｃＯ塑幽业幽厂ｅ—铆Ｐ少吲卜—骨—一１．．．．．．＿一１．．．．．．．一Ｊ（∞晶体管噪声源简化模型（Ｍ差动等效电路图４ＱＶＣ０噪声模型４个ＰＭｏｓ晶体管的噪声源。

将包含这些噪声源的电路进行戴维南等效，根据基尔霍夫电压定律可以得到如图４（ｂ）所示的等效电路。

因此，ＯｖｃＯ中的六晶体管所产生的噪声功率谱密度可以表示为ｆ蠢＝｛（ｉ刍＋ｆ乞＋ｌ；・＋￡刍＋ｆ备＋ｉ备）＝寺（ｆ：。

＋ｆ盈＋ｉ刍）（４）Ｍｏｓ管漏电流噪声谱密度可以表示为了＝瓦赤挚ＩＱＮｌ＋箍（５）式中：ｉｔ为漏电流的热噪声分量；ｉｉ为漏电流的闪烁噪声分量；ＱⅣ为反型层电荷值；户。

日为有效载流子迁移率；￡为沟道长度。

式中的漏电流的热噪声谱密度可以进一步表示为ｉ＝４＾盯［等（Ｑ∞阢）］＝４☆巩∞（６）其中ｇ∞＝Ｐ摧ｃｏＩ（％一Ｕ）Ⅳ／￡（７）ｒ为加。

乘积、偏压ｋ—ｈ、‰的函数，其中￡９９０半导体技术第３２巷第１１期为沟道长度，Ｅ。

为载流子速度饱和时的临界电场强度。

考虑到短沟道器件中的速度饱和效应，在ｇ。

一定的条件下漏电流热噪声与ｇ∞／如存在一定的关系［“。

在大多数偏置的条件下．ＮＭＯｓ的这个比值要大于ＰＭ０ｓ，这就意味着在中心频率、调谐范围和振荡幅度均相同的条件下采用ＰＭｏｓ晶体管的ｖｃ０能够得到更小的漏电流热噪声［…。

１矿相位噪声主要是由尾电流源晶体管和开关管的闪烁噪声上变频造成的，文献［９］的研究结果表明ＰＭＯｓ管的闪烁噪声要小于ＮＭＯｓ管的闪烁噪声。

基于上述分析，相对于ＮＭＯｓ晶体管来说，ＰＭｏｓ晶体管具有更好的噪声性能。

若采用ＰＭｏｓ和ＮＭｏｓ作为耦合管的两个Ｏｖｃｏ采用相同的Ｌｃ谐振腔和尾电流源，则尾电流源和电感中由金属和衬底间的欧姆损耗形成的等效串联电阻Ｌ贡献的噪声相等。

因此本设计中选择了ＰＭＯｓ晶体管，而不是ＮＭＯｓ晶体管作为耦合管。

４仿真结果Ｑｖｃｏ采用两Ｍｃ提供的０，１８肛ｍ标准ｃＭ０ｓ工艺，采用Ａ百１ｅｎｔ公司的ＡＤｓ进行仿真。

仿真得到电感值为３ｎＨ，工作在２．４Ｇｍ频率时品质因数为９，２。

仿真过程中，考虑到实际电路中器件不匹配造成的相位误差，设置两个谐振回路中的电感值使之存在０．１％的不匹配。

仿真得到的正交输出信号波形图如图５所示，输出的Ｉ，Ｏ两路信号最大的相位误差为０。

１９０。

婀谐范围特性如图６所示，控制电压从０Ｖ变化到１．８ｖ时，输出频率从２．２４Ｇｍ变化到２．６４ＧＨｚ。

相噪特性如图７所示，在偏离中心频率６００ＫＨｚ的情况下，相位噪声为一１１５．４ｄＢｃ／Ｈｚ．１石１４之善１２ｌＤ昭０ｍ２００３００ⅫⅫⅫ瑚ⅫⅫ时间／ｐ墨图５ＱＶｃｏ的正交输出信号２００７年１１月窨。

蔼。

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万方数据高慧等：２．４ｃ也低相位误差低相位喙声ｃｊｌＩｏｓＱＶＣＯ设计”２正８”蒸“２３上２｝卓营≤釜晕∞０２０４蛞ｎ８１Ｄ１２ｌ』ｌ占ｌ卫电压，ｖ图６ＯＶｃ０的调谐范围ｌ妒１—１俨６×ｌ伊频率他图７ＱＶｃＯ的相位噪声特性表１将ＱＶｃ０的性能与目前流行的结构进行了比较。

采用品质因数（，０＿】ｌｆ）指标来同时综合考虑功耗、中心频率、相位噪声的性能，其表达式为删＝一￡（△∞）＋２０ｋ（赛兰）一１０Ｉｇ（Ｐ）（８）ＱｖｃＯ结构在偏离２．４Ｇｍ中心频率３ＭＨｚ的情况下Ⅲｆ值为１８５。