一种低相位噪声LC压控振荡器的设计与实现_常昌远[1]

尾电流管的闪烁噪声和高频噪声可以上变频
变为相位噪声． 尾电流管的闪烁噪声谱密度为
i2 tail
Δf
=
Kf f
g2m
W
L
C
2 OX
（ 2）
式中，i2tail 为尾电流平方均值； Δf 为频率变化值； K f
为工艺相关常量； W 和 L 分别为 MOS 管的栅宽和
栅长； COX 为单位面积栅氧电容； gm 为 MOS 管的跨 导．
图 1 VCO 核心电路图
振回路有载品质因数的降低． 共模点 S1 的阻抗由 L1 的品质因数决定． 同样，在共模点 S2 和地之间 插入由 L2 和 C2 构成的谐振网络，提高共模点 S2 的阻抗，抑制了 M OS 管 M N1 和 M N2 对谐振回路品 质因数的降低．
根据 Leeson［7］的分析，VCO 的相位噪声可以
声．
http： / / journal． seu． edu． cn
1054
东南大学学报（ 自然科学版）
第 42 卷
此外，根据 Hajimiri 等［9］的分 析，大 电 容 C tail 可以降低 M P1 和 M P2 中漏电流的占空比以及 M OS 管沟道的热噪声，减少敏感时刻的噪声源，从而降 低振荡器的相位噪声． 1． 2 二次谐波谐振滤波网络
一种低相位噪声 LC 压控振荡器的设计与实现
常昌远 王绍权 陈 瑶 余东升
（ 东南大学集成电路学院，南京 210096）
摘要： 基于 TSM C 0． 35 μm CM OS 工艺，设计并实现了一种用于锁相环（ PLL） 频率合成器中的 低相位噪声 LC 压控振荡器． 这种压控振荡器采用互补交叉耦合差分结构，利用开关电容阵列技 术增大频率调谐范围，并结合大滤波电容、二次谐波谐振滤波网络、开关电容阵列和偏置滤波网 络来降低相位噪声． 采用 TSM C 0． 35 μm CM OS 工艺完成前仿真、版图设计与后仿真，芯片面积 为1 285． 3 μm × 1 162． 7 μm． 流片测试结果显示，LC 压控振荡器的频率调谐范围为 1． 558 ～ 2． 065 GHz，调谐范围高达 28% ，中心频率处的相位噪声为 － 133． 3 dBc / Hz @ 1 M Hz，综合性能 指数为 － 183． 3 dBc / Hz． 由此表明，所设计的压控振荡器具有比较优异的综合性能． 关键词： LC 压控振荡器； 相位噪声； 开关电容阵列； CMOS 中图分类号： TN432 文献标志码： A 文章编号： 1001 － 0505（ 2012） 06-1052-06
根据 Emad 等［10］的分析，可变电容可以将 AM 噪声调制为相位噪声． 相位噪声的转化程度受可变 电容灵敏度 kvar 影响，kvar 越大，则 AM -FM 调制越 明显． 对于一个调谐范围较宽的 LC VCO，如果仅 采用大范围可变电容实现频率调谐，则可变电容灵 敏度 kvar较大．
N bit 开关电容阵列可以将整个可调频率范围 分为 2N 个子区域． 子区域的选择通过闭合与断开
Design and implementation of LC voltage controlled oscillator with low phase noise
Chang Changyuan Wang Shaoquan Chen Yao Yu Dongsheng
（ School of Integrated Circuit，Southeast University，Nanjing 210096，China）
开关电容来实现，子区域内频率的调谐则通过控制 可变电容来实现． 由此便可使任何一个子区域里可 变电容的灵敏度 kvar 都较小，从而有效降低可变电 容 AM -FM 调制效应造成的相位噪声． 1． 4 偏置滤波网络
振荡器尾电流源的偏置一般由带隙基准电流 源提供． 为了阻止带隙基准和偏置电流镜的噪声进 入尾电流源影响振荡器的相位噪声，可以在偏置电 路中加入低通滤波器［3］． 低通滤波器的作用是过 滤高频噪声，由简单的 RC 网络构成． 图 1 中，RLP 和 C LP构成了一个低通滤波器，其 3 dB 带宽为 11 kHz ．
表示为
{ [ ( ) ] ( ) } L｛ Δω｝ = 10log
2FkT 1 + Psig
ω0
2
2QL Δω
1 + ω1 /f 3 Δω
（ 1）
式中，F 为经验参数； k 为波尔兹曼常数； T 为绝对
温度； Psig 为 谐 振 电 路 的 功 耗； ω0 和 ω1/f 3 分 别 为 1 /f 2和1 /f 3 相位噪声区域的拐角频率； Δω 为频
进入振荡器相位噪声中． 图 1 中，与振荡器尾电流
管 M tail并联的大电容 C tail 可以过滤或者抑制偶次 谐波 附 近 的 噪 声． 实 际 上，该 大 电 容 与 尾 电 流 管
M tail 构成了一个低通滤波器． 选择合适的容值，使 滤波器的截止频率低于二次谐波频率 2ω0 ，便可抑 制偶次谐波附近的噪声，避免其影响振荡器相位噪
可见，增 大 尾 电 流 管 的 尺 寸 可 以 降 低 闪 烁 噪
声． 与 NM OS 器件相比，PM OS 器件具有较小的闪
烁噪声，故设计中选用 PM OS 晶体管为 VCO 提供
偏置电流．
1． 1 大滤波电容 根据 Rael 等［8］的分析，尾电流源中闪烁噪声
和偶次谐波附近的噪声将会通过单平衡混频过程
尾电流源在 VCO 中的作用为： ① 为振荡器提 供偏置电流； ② 在差分对管的共模点处提供高阻 抗［10］． VCO 振荡过程中，在振荡波形的波峰与波 谷处差分对管进入线性区，此时其电阻较小，从而 降低了谐振腔的有载品质因数 QL ． 由于共模点 S1 和 S2 处的振荡频率为 2ω0 ，故可以在这 2 个共模点 处分 别 插 入 一 个 窄 带 电 路，并 使 此 电 路 谐 振 于 2ω0 ． 窄带波网络为谐振腔提供了较高的阻抗，从而 阻止了 QL 的降低． 1． 3 开关电容阵列
第 42 卷第 6 期 2012 年 11 月
东南大学学报（ 自然科学版）
JOURNAL OF SOUTHEAST UNIVERSITY （ Natural Science Edition）
doi： 10． 3969 / j． issn． 1001 － 0505． 2012． 06． 006
Vol． 42 No． 6 Nov． 2012
为了获得更 好 的 综 合 性 能，本 文 采 用 TSM C 0． 35 μm CM OS 工艺设计了一款中心频率为 1． 81 GHz 的 LC 压控振荡器． 基于降低相位噪声的设计 原理和方法，给出了具体的电路设计、版图设计与 后仿真． 流片测试结果表明，所设计的压控振荡器 整体性能优良．
1 降低相位噪声的设计考虑
plementary metal oxide semiconductor）
无线通信系统的迅猛发展促进了低成本、高集 成度无线收发机的研究与开发． 同时，现代集成电 路制造工艺的不断进步，使得无线收发机系统中大 部分单元电路能够集成到单片收发机芯片上． 作为 压控振荡器（ voltage controlled oscillator，VCO ） 重
Abstract： Based on TSM C 0． 35 μm CM OS process，a fully integrated LC voltage controlled oscillator （ VCO） used in phase lock loop （ PLL） frequency synthesizer w ith low phase noise is designed and implemented． The LC VCO has a complementation cross-couple differential structure and adopts sw itched-capacitor technique to increase frequency tune range． Large filtering capacitance，second harmonic filtering netw ork，sw itched-capacitor array and bias filter netw ork are used to reduce phase noise． Simulation，layout design and post-simulation are completed by TSM C 0． 35 μm CM OS process． The chip size is 1 285． 3 μm × 1 162． 7 μm． Chip testing results show that the frequency of the LC VCO can be tuned from 1． 558 to 2． 065 GHz． The tune range is 28% ． In the center oscillation frequency，the phase noise of the LC VCO can achieve － 133． 3 dBc / Hz at 1 M Hz，and the FOM （ figure of merit） is － 183． 3 dBc / Hz． Thus，the overall performance of the designed VCO is good． Key words： LC voltage controlled oscillator； phase noise； sw itch capacitance array； CM OS （ com-
1057． ［doi： 10． 3969 / j． issn． 1001 － 0505． 2012． 06． 006］
第6 期
常昌远，等： 一种低相位噪声 LC 压控振荡器的设计与实现
10Hale Waihona Puke Baidu3
现的 LC 压控振荡器的相位噪声性能已经能够满 足大多数应用场合． Fang 等［3］综合运用大滤波电 容、开关电 容 和 偏 置 滤 波 技 术 设 计 了 一 款 应 用 于 WSN 中的压控振荡器． Jongsik 等［4］采用大电容滤 波和谐振滤波网络技术设计了一款线性度良好、具 有宽调谐范围的 LC 压控振荡器． Wang 等［5］利用 谐波滤波电阻来降低相位噪声． M ohamed 等［6］采 取电 流 复 用 技 术 使 有 效 相 位 噪 声 达 到 － 133. 3 dBc / Hz@ 1 M Hz．
要的性能指标，相位噪声会对收发机接受信号产生 严重干扰［1］． 利用 CM OS 工艺将 LC 压控振荡器 集成到频率合成器中，可降低生产成本，但 CM OS 器件中较高的 1 / f 噪声导致相位噪声明显增加［2］． 近年来，通过采取合理的降噪措施，利用 CM OS 实
收稿日期： 2012-05-10． 作者简介： 常昌远（ 1961—） ，男，博士，副教授，ccyycc@ seu． edu． cn． 基金项目： 国家核高基资助项目（ 2009ZX01031） ． 引文格式： 常昌远，王绍权，陈瑶，等． 一种低相位噪声 LC 压控振荡器的设计与实现［J］． 东南大学学报： 自然科学版，2012，42 （ 6 ） ： 1052-
偏； QL 为谐振腔的有载品质因数，主要由谐振电感 的品质因数决定． 在电感值选定后，应该选择圈数
少、内径大的电感． 设计中采用二次谐波谐振滤波
电路以有效增加 QL ． 根据 Hajimiri 等［1］的分析，振荡器输出波形越
对称，ω1/f3 和相位噪声越小． 本设计中采用交叉耦 合差分结构，可以得到对称的波形，从而使得 ω1/f3 和相位噪声均较小．
实际上，VCO 中的有源器件与无源器件都会 产生噪声． 噪声对振荡器的影响表现为输出信号幅 度和频率的随机波动，且幅度扰动会被限幅机制所 抑制，频率 的 随 机 波 动 在 频 率 域 表 现 为 边 带 噪 声 谱．
基于噪声滤波技术的互补交叉耦合差分振荡 器核心电路图见图 1． 由图可知，电感 L1 和电容 C1 插在共模点 S1 和 M tail 产生的尾电流源之间，谐振 于频率 2ω0 处，为共模点 S1 提供高阻抗，抑制了谐