應(yīng)用于無線局域網(wǎng)的低壓低功耗2.5GHz VCO設(shè)計(jì)

摘要：采用交叉耦合結(jié)構(gòu)，利用TSMC90nm 1P9M 1．2V RFCMOS工藝設(shè)計(jì)的全集成LC壓控振蕩器(VCO)，符合IEEE 802．1lb／g WLAN通信標(biāo)準(zhǔn)。調(diào)諧電壓為0～1．2V，具有150MHz的調(diào)諧范圍(2．44GHz～2．59GHz)。利用Mentor Graphics Eldo對(duì)該電路進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果顯示，在2．5GHz工作頻率處，相位噪聲約為-122．3dBc／Hz@1MHz，功耗僅為1．9mW。

0 引言
??? 隨著便攜式無線設(shè)備市場(chǎng)的迅速擴(kuò)張，降低系統(tǒng)功耗成為射頻集成電路設(shè)計(jì)的重要方向。降低電源電壓作為減小電路功耗的一種常規(guī)方法，效果十分明顯，但設(shè)計(jì)時(shí)必須面對(duì)輸出擺幅下降、信噪比惡化，以及系統(tǒng)對(duì)PVT(Process,Voltage，Temperature)因素更加敏感等諸多問題。
??? 壓控振蕩器(VCO)作為頻率合成器的關(guān)鍵模塊，其穩(wěn)定性和頻譜純度對(duì)通信收發(fā)系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。如何在輸出擺幅、相位噪聲、調(diào)諧范圍、偏置電流和功耗之間取得較好的折衷是VCO設(shè)計(jì)的最大難點(diǎn)。本文在總結(jié)LC VCO一般性設(shè)計(jì)方法和理論的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)適用于IEEE 802．11b／g WLAN(無線局域網(wǎng))通信標(biāo)準(zhǔn)的VCO。為降低功耗，該VCO采用TSMC 90nm 1．2V低電源電壓工藝，仿真結(jié)果顯示，在2．5GHz中心頻率處，功耗僅為1．9mW，相位噪聲約為-122．3dBc／Hz＠1MHz，相比其它文獻(xiàn)的同中心頻率VCO設(shè)計(jì)，功耗更低，同時(shí)具有較低的相位噪聲。

1 LC VCO的基本工作原理
??? 交叉耦合型LC VCO利用有源器件-g，不斷補(bǔ)充LC諧振同路寄生電阻g所消耗的能量，以維持振蕩。有源器件一般可用MOS對(duì)管構(gòu)成的負(fù)阻實(shí)現(xiàn)，為確保振蕩，需滿足條件

??? 其中，αg為增益裕度系數(shù)，典型值取2～3。gtank為L(zhǎng)C諧振回路等效導(dǎo)納，gactive為負(fù)阻導(dǎo)納，且有
??
??? 交叉耦合MOS管跨導(dǎo)可表示為
???
??? 相對(duì)單NMOS或PMOS交叉結(jié)構(gòu)VCO而言，互補(bǔ)交叉結(jié)構(gòu)VCO的輸出波形更對(duì)稱，噪聲特性更好。因此本文選擇互補(bǔ)交叉結(jié)構(gòu)的VCO，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)LC振蕩器基本理論，該VCO的輸出頻率為
??
??? 其中，Ctotal為VCO的總電容值，包括固定電容Cfix、可變電容Cv，以及寄生電容Cp(電感L、交叉耦合MOS管和后級(jí)電路的寄生電容)，調(diào)諧電壓Vtune控制Cv，使VCO輸出頻率廠f0隨Vtune的變化而變化。

2 電路設(shè)計(jì)
2．1 片上電感L的選取
??? 相位噪聲與Q值平方成反比關(guān)系，LC諧振回路的Q值越高，VCO相位噪聲越小。片上電容的品質(zhì)因數(shù)比片上電感大很多，因而LC諧振回路的品質(zhì)因數(shù)主要取決于片上電感。由于片上電感和硅襯底之間存在耦合電容，能量將被耦合至襯底中，導(dǎo)致能量損耗，因此極大降低了片上電感的品質(zhì)因數(shù)Q值。片上電感Q值可通過測(cè)量電感的Y參數(shù)獲得：
???
??? TSMC 90nm 1P9M 1．2V RFCMOS工藝的片上電感為銅金屬八邊形平面螺旋電感，制作在P型襯底上。為降低電感與襯底間的氧化層電容，減小高頻損耗，通常使用工藝中最厚的頂層金屬制作電感。TSMC 90nm 1P9M 1．2VRFCMOS庫中的片上電感采用Ultra Thick Metal工藝，位于頂層金屬M(fèi)9層，共分三種類型：標(biāo)準(zhǔn)型(STD)電感、對(duì)稱型電感(SYM)和帶中心抽頭的對(duì)稱型電感(SYMCT)，可調(diào)節(jié)的參數(shù)包括電感金屬線寬度w、電感金屬線圈數(shù)nr和電感內(nèi)直徑rad。為獲得更高的品質(zhì)因數(shù)，應(yīng)取最大的金屬線寬w，以減小寄生電阻。對(duì)不同規(guī)格的電感進(jìn)行S參數(shù)的掃描仿真，經(jīng)計(jì)算比較后，最終采用尺寸為w=15 μm，nr=3，=90 μm，感值L=1．43nH的SYM電感，在振蕩頻率2．5GHz處，其Q值約為14．9。
2．2 負(fù)阻RFMOS管的選取
??? RFPMOS和RFNMOS對(duì)管構(gòu)成負(fù)阻單元，提供維持振蕩所必須的能量。由式(1)～(3)可知，W／L必須足夠大以確保起振。當(dāng)gmp=gmn時(shí)，輸出波形具有最好的對(duì)稱性，可有效抑制1／f噪聲的上變頻。由于電子的遷移率是空穴的2～3倍，故RFPMOS管和RFNMOS管的W／L比應(yīng)在2～3之間。為降低振蕩器功耗，并減小MOS管的寄生電容，RFNMOS管應(yīng)取工藝允許的最小尺寸，即nr×l×w=11×0．1μm×1μm。仿真結(jié)果表明，RFPMOS管尺寸取RFNMOS管的3倍時(shí)，輸出波形具有最好的對(duì)稱性。
2．3 固定電容Cfix和可變電容Cv的選取
??? 選取庫中參數(shù)為ff=32．8gm，wt=20μm 容值Cfix=1．046pF的MIM固定電容?？紤]到工藝誤差和外界溫度的影響，VCO頻率調(diào)諧范圍應(yīng)留有一定裕度。經(jīng)比較后采用庫中參數(shù)為br=8，gr=7的1．2VN阱RFMOS變?nèi)莨堋７抡骘@示，VCO的工作頻率在2．44～2．59GHz范圍內(nèi)變化，完全覆蓋IEEE 802．b／g通信標(biāo)準(zhǔn)的頻率范圍。
2．4 偏置電流Ibias
??? l／f噪聲的上變頻噪聲對(duì)尾電流源影響最為顯著，由于PMOS管比NMOS具有更低的l／f噪聲，因此本設(shè)計(jì)采用PMOS尾電流源，PMOS管參數(shù)設(shè)置為fingers×l×w=5×1μm×100μm。
??? 電流限制區(qū)的Itail與相位噪聲關(guān)系如下
???
??? 故Itail越大，相位噪聲越低。但I(xiàn)tail增大到一定程度后將進(jìn)入電壓限制區(qū)，輸出擺幅被鉗制在Vlimit，對(duì)相位噪聲的改善將沒有任何意義。因此，Itail存在一個(gè)對(duì)應(yīng)最小相位噪聲的優(yōu)化值，位于電流限制區(qū)與電壓限制區(qū)臨界處。在對(duì)功耗和相位噪聲進(jìn)行折衷考慮后，電流源Ibias值定為1．8mA。
2．5 噪聲濾除
??? 為進(jìn)一步濾除VCO輸出中的高次諧波，在RFPMOS負(fù)阻管與地端之間接對(duì)稱型電感Lf，其參數(shù)取值為w=3，nr=6，rad=90。

3 仿真結(jié)果
??? 經(jīng)Mentor Graphics Eldo仿真，VCO調(diào)諧曲線如圖2所示，當(dāng)調(diào)諧電壓由0V變化至1．2V時(shí)，VCO的輸出頻率從2．44GHz增大至2．59GHz。在2．5GHz中心頻率處的相位噪聲特性曲線如圖3所示。

??? VCO性能參數(shù)如表l所示。

4 結(jié)論
??? 本文在總結(jié)VCO一般性設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，利用TSMC 90nm 1．2V RFCMOS工藝設(shè)計(jì)了一個(gè)全集成交叉耦合LC VCO，其滿足IEEE 802．11b／g WLAN通信標(biāo)準(zhǔn)要求，較其它文獻(xiàn)的設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、相位噪聲低和低壓、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，非常適用于對(duì)節(jié)電性能要求較高的便攜式WLAN收發(fā)設(shè)備。