摘 ?要：在通信領(lǐng)域中，頻率合成器扮演著越來(lái)越重要的角色，它可以為不同標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線收發(fā)機(jī)提供可編程低噪聲的穩(wěn)定本振信號(hào)，其性能可決定整個(gè)無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)的性能，而在頻率合成器中，又以VCO的設(shè)計(jì)為重中之重。本文即是對(duì)應(yīng)用于數(shù)字音頻廣播接收機(jī)系統(tǒng)Ⅲ波段的電感電容壓控振蕩器設(shè)計(jì)的研究。本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于Ⅲ波段的正交差分輸出壓控振蕩器。電路后仿真結(jié)果顯示，核心電路電流為5.2mA，在調(diào)諧電壓范圍為0.3～1.5V條件下，輸出振蕩頻率范圍可達(dá)到323.2～514.2MHz，完全覆蓋Ⅲ波段所需要的頻率范圍;同時(shí)，最差條件下的相位噪聲為-121dBc/Hz@1MHz，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字音頻廣播;電感電容壓控振蕩器;頻率合成器;電路設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TN752 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）14-0036-03

Design and Research of LCVCO Used in Ⅲ Band of

Digital Audio Broadcasting System

XUAN Jiahui

（Jiangsu Institute of Automation，Lianyungang ?222006，China）

Abstract：In the field of communications，frequency synthesizers play an increasingly important role in providing programmable low-noise，stable local oscillator signals for different standard wireless transceivers，the performance of which determines the performance of the entire wireless transceiver system. In the frequency synthesizer，the design of the VCO is the most important. This paper is the study of the design of the inductor-capacitor voltage-controlled oscillator for the Ⅲ band of the digital audio broadcasting receiver system.In the LCVCO design module，a voltage-controlled oscillator with quadrature differential outputs used in band Ⅲ is designed. The simulation results show that the core circuit current is 5.2 mA，the output frequency range is from 323.2 MHz to 514.2 MHz，in the tuning voltage range of 0.3～1.5V，completely covering the required band Ⅲ frequency range. At the same time，the phase noise in the worst case is -121dBc/Hz@1MHz offset，which meets the design specifications.

Keywords：digital audio broadcasting;LCVCO;frequency synthesizer;circuit design

1 ?數(shù)字音頻廣播（DAB）接收機(jī)介紹

數(shù)字廣播技術(shù)的迅速發(fā)展，為提高廣播通信質(zhì)量提供了一種全新的思路。數(shù)字音頻廣播（DAB）被用來(lái)取代模擬廣播FM，我國(guó)已將歐洲的尤里卡（Eureka）147-DAB制式作為數(shù)字調(diào)幅廣播的標(biāo)準(zhǔn)。DAB接收機(jī)的工作頻段非常寬廣，可覆蓋從長(zhǎng)波（148.5kHz）到L波段（1492MHz）整個(gè)頻率。數(shù)字廣播接收模塊中，本振的精度和穩(wěn)定性起到?jīng)Q定數(shù)字廣播接收機(jī)性能的關(guān)鍵作用。本文正是對(duì)Ⅲ波段DAB接收機(jī)壓控振蕩器設(shè)計(jì)的研究[1-5]。

2 ?壓控振蕩器（VCO）在DAB接收機(jī)中的作用

無(wú)線數(shù)字通信中射頻接收終端采用的結(jié)構(gòu)多種多樣，但頻率合成器作為混頻器中本振的產(chǎn)生源，在射頻收發(fā)機(jī)中是不可或缺的一部分。在頻率合成器中，又以CMOS全集成壓控振蕩器（VCO）的設(shè)計(jì)為重中之重。

VCO主要有環(huán)形振蕩器和LC振蕩器兩種。數(shù)字廣播接收機(jī)要求振蕩器的輸出頻率較低，同時(shí)對(duì)相位噪聲和功耗的要求都較高（即低相位噪聲和低功耗），環(huán)形振蕩器很難實(shí)現(xiàn)，因此眾多數(shù)字廣播接收機(jī)的VCO設(shè)計(jì)均采用LC壓控振蕩器。LCVCO的設(shè)計(jì)近年來(lái)是射頻系統(tǒng)頻率合成器中的一個(gè)研究熱點(diǎn)。本文即以LCVCO為研究要點(diǎn)展開(kāi)設(shè)計(jì)。

3 ?應(yīng)用于DAB收發(fā)機(jī)中的LCVCO的電路設(shè)計(jì)

3.1 ?壓控振蕩器的數(shù)學(xué)模型

VCO是一種電壓-頻率轉(zhuǎn)換裝置。在相位噪聲和鎖相環(huán)的研究中，需要一個(gè)VCO的數(shù)學(xué)模型。可以把一個(gè)理想的VCO定義為一個(gè)可以產(chǎn)生周期輸出信號(hào)的電路，如式（1）所示。

3.3 ?LC壓控振蕩器的電路設(shè)計(jì)

本LCVCO基于CMOS工藝設(shè)計(jì)，基于這種工藝的LCVCO大都采用差分結(jié)構(gòu)，原因是集成電路中的襯底和電源中會(huì)引入大量共模噪聲，這些共模噪聲會(huì)對(duì)電路造成較大的危害，差分結(jié)構(gòu)可以抑制這些共模噪聲。

3.3.1 ?基于CMOS工藝的LCVCO拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為了抑制和消除偶次諧波上的噪聲，在本設(shè)計(jì)中的MOS晶體管的S極和交流地與電源之間分別插入了一個(gè)二次諧波的高阻通路，本篇設(shè)計(jì)中所采用的LCVCO電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中L1、C1和L2、C2組成兩個(gè)諧振在2ω0的噪聲濾波網(wǎng)絡(luò)。

為了控制芯片面積和功耗，在本設(shè)計(jì)中的輸出部分采用源極耦合邏輯觸發(fā)器所構(gòu)成的4分頻器作為信號(hào)產(chǎn)生端。

3.3.2 ?器件選擇與優(yōu)化

3.3.2.1 ?電感的選擇

考慮電路設(shè)計(jì)的難易和周期，本設(shè)計(jì)工作直接采用工藝庫(kù)中提供的電感。SMIC工藝庫(kù)提供了兩種類型的八邊形平面螺旋電感模型：Spiral Inductor和Differential Inductor，其幾何尺寸參數(shù)分別如表2、表3所示[2]。

3.3.2.2 ?變?nèi)莨艿倪x擇

SMIC 0.18μm Mixed Signal CMOS工藝中提供了兩種變?nèi)莨苣Ｐ停篜N結(jié)變?nèi)荻O管和積累型MOS（accumulation-mode，A-MOS）變?nèi)莨堋?duì)可變電容的研究表明，MOS管電容在線性度方面比二極管變?nèi)莨芎肹2]。因此，本設(shè)計(jì)選用MOS管電容，具體參數(shù)通過(guò)仿真確定。

4 ?LCVCO版圖設(shè)計(jì)以及仿真

本VCO設(shè)計(jì)采用Cadence Spectre仿真器進(jìn)行模擬仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.1 ?VCO版圖設(shè)計(jì)

需要特別注意的是由于本結(jié)構(gòu)是采用的差分對(duì)形式，對(duì)版圖的對(duì)稱性要求極高，所以在設(shè)計(jì)版圖時(shí)需要尤其注意版圖的對(duì)稱性設(shè)計(jì)。由于寄生電容會(huì)影響到VCO的輸出振蕩頻率，所以在設(shè)計(jì)VCO版圖時(shí)更需要注意走線的寄生電容效應(yīng)。圖3是本次設(shè)計(jì)的LCVCO的版圖結(jié)構(gòu)。

4.2 ?VCO仿真結(jié)果

本設(shè)計(jì)中是采用在Cadence軟件環(huán)境下的Assura工具進(jìn)行DRC和LVS檢查。檢查通過(guò)后，使用Assura工具對(duì)版圖進(jìn)行寄生參數(shù)的提取，然后進(jìn)行后仿真，并根據(jù)后仿真結(jié)果優(yōu)化原理圖中的參數(shù)設(shè)計(jì)和版圖設(shè)計(jì)。由于篇幅限制，在這里只給出后仿真過(guò)程以及結(jié)果。

在Cadence軟件平臺(tái)上搭起LCVCO的Testbench進(jìn)行仿真。主要進(jìn)行瞬態(tài)仿真、輸出頻率調(diào)諧范圍仿真和相位噪聲性能的仿真。給出后仿真與設(shè)計(jì)指標(biāo)的比較如表4所示。

5 ?結(jié) ?論

本文章首先介紹了數(shù)字音頻廣播和壓控振蕩器在DAB接收機(jī)中的作用，并給出了分析振蕩器的數(shù)學(xué)模型。然后根據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求，介紹了應(yīng)用于DAB的LCVCO的常用結(jié)構(gòu)，并選擇了合適的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然后按照電路設(shè)計(jì)、版圖設(shè)計(jì)、后仿真及版圖優(yōu)化的順序給出了壓控振蕩器的設(shè)計(jì)過(guò)程。雖然由于流片計(jì)劃原因，本次VCO設(shè)計(jì)未能付諸流片，但后仿真結(jié)果顯示設(shè)計(jì)結(jié)果滿足預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 舒啟輝.走近數(shù)字音頻廣播技術(shù) [J].廣播與電視技術(shù)，2005（11）：7-9+5.

[2] 周建政.DRM/DAB接收機(jī)射頻前端芯片設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)研究 [D].江蘇：東南大學(xué)，2009.

[3] [日]遠(yuǎn)坂俊昭.鎖相環(huán)（PLL）電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 [M].何希才譯.北京：科學(xué)出版社，2006.

[4] Jiahui X，Zhigong W，Lu T，et al. A 3-GHz dual-modulus prescaler based on improved master-slave DFF [C]// IEEE International Conference on Communication Technology. IEEE，2011：21-24.

[5] 周學(xué)智，玄甲輝.數(shù)字音頻廣播接收機(jī)中頻率合成器的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì) [J].計(jì)算機(jī)光盤(pán)軟件與應(yīng)用，2013，16（11）：221-223.

作者簡(jiǎn)介：玄甲輝（1987-），男，漢族，山東泰安人，工程師，碩士研究生，研究方向：智能裝備系統(tǒng)與電子信息系統(tǒng)。