齊賀飛，王磊，王鑫，王紹權(quán)，張夢月

（中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊 050051）

0 引 言

壓控振蕩器作為通信系統(tǒng)中的本振信號源，其頻率范圍和相位噪聲等信號質(zhì)量對通信系統(tǒng)的性能有重要影響，隨著集成電路工藝的發(fā)展，芯片的集成度不斷提高，片上系統(tǒng)（System on Chip, SoC）已經(jīng)成為主流設(shè)計思路。SoC 的特點決定了需要集成電路工藝的兼容性，既要滿足微處理器（Micro Controller Unit, MCU）的Flash 存儲器的要求，又要滿足鎖相環(huán)電路需要厚金屬高Q 值電感和可變電容晶體管。傳統(tǒng)的III-V 族化合物集成電路工藝已經(jīng)不能滿足集成度的要求。同時，隨著系統(tǒng)對于低功耗的要求越來越嚴(yán)苛，在片上系統(tǒng)SoC 中集成頻率源IP 也將逐漸替代原有的分立式頻率源電路，能夠在不影響系統(tǒng)性能的前提下，大幅度降低系統(tǒng)的面積和功耗。

本文設(shè)計了一種基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS（Combined Metal Oxide Semiconductor, CMOS）工藝的VCO，可實現(xiàn)寬帶調(diào)諧范圍，從2.3 GHz ～3.3 GHz，具有寬電壓和寬溫度范圍。在2.97 V ～3.63 V 供電，-60 ～130 ℃均可穩(wěn)定工作。采用了并聯(lián)的可調(diào)節(jié)電容，用于擴展VCO（Voltage Control Oscillator, VCO）的振蕩頻率范圍的同時也能保持很低的增益，從而提高了壓控振蕩器的噪聲性能。同時使用FLASH非易失性存儲器。FLASH IP 作為低成本化系統(tǒng)配置資源，通過通用的調(diào)試接口電路與外部通信，內(nèi)部存儲了配置鎖相環(huán)所需要的控制字，對用戶使用極為方便。本芯片還可以與通用的MCU 或者FPGA 等進(jìn)行工藝集成，進(jìn)一步提升系統(tǒng)功能，提升批次一致性和可生產(chǎn)性，簡化外圍電路器件，降低用戶系統(tǒng)設(shè)計的總成本。

1 VCO 振蕩電路的相位噪聲來源

理想的LC 振蕩器輸出信號為：

其中是振蕩頻率，是振蕩幅度，是初始相位。由于和是固定值。因此理想振蕩信號的頻譜是在處的單根譜線。

實際的LC 振蕩器輸出信號為：

() 代表振幅的抖動情況，()代表相位抖動情況。是振蕩信號頻率，對于|()|<<1 我們有：

可見發(fā)現(xiàn)實際振蕩器的頻譜和理想的頻譜差別主要體現(xiàn)為頻譜的純凈度，如圖1所示。

圖1 理想振蕩器和實際振蕩器的頻譜特性圖

非理性特性在時域上體現(xiàn)為信號的各個周期時間不相同，在頻域上體現(xiàn)為頻譜的不純凈。且造成的非理想特性總體表現(xiàn)為VCO 的相位噪聲。

VCO 的相位噪聲模型主要有兩種。第一種模型是基于線性非時變系統(tǒng)建立的利森-卡特森模型

第二種模型是基于線性相位時變系統(tǒng)提出的吉米瑞-李模型。

基于上述模型，分析VCO 的相位噪聲來源，主要包括以下幾個方面：電流源、交叉耦合對管、可變電容管的噪聲、LC 回路熱噪聲。其中通過使用高Q 值的電感電容可以降低LC 回路的熱噪聲?？勺冸娙莸姆蔷€性會引入AM-to-FM 噪聲，通過將部分可變電容置換為電容開關(guān)陣列，可以減小可變電容的AM-to-FM 噪聲。增大輸出擺幅減小尾電流源噪聲。后面章節(jié)將從LC 諧振電路、陣列式可變電容、VCO 整體電路、自動選帶技術(shù)等幾個方面設(shè)計VCO 和降低相位噪聲。

2 LC 壓控振蕩器設(shè)計

本文使用了如圖2結(jié)構(gòu)的VCO，其相位噪聲主要來源為PMOS 和NMOS 的噪聲電流和非理想的L/C 電路。由于PMOS和NMOS的噪聲由工藝決定，且需要和其他工藝兼容，因此只能優(yōu)化L/C 的品質(zhì)因數(shù)Q 值和系統(tǒng)的參考電流值以降低相位噪聲。

圖2 VCO 的原理圖

電感的值由如下公式?jīng)Q定：

_Tank 表示LC 振蕩腔體的系統(tǒng)阻抗，系統(tǒng)的虛部越大，實部越小，則值越高。

值越高，系統(tǒng)的噪聲性能越好，因此需要盡量提高值，提升方式可以選擇提高感值或降低的電阻。

對于所需要的諧振頻率，和的乘積范圍固定。如果需要提高感值則需要增加圈數(shù)，同時降低容值。在圈數(shù)固定的前提下，提高感值需要很大的版圖面積作為代價，受到工藝DR（Design Rule)設(shè)計規(guī)則的制約。

電容的值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電感，因此降低電感的阻抗十分重要，選擇25 ～30 μm 厚度的金屬層作為電感的制造層，芯片中選擇將電感放在頂層，可以在盡量減少面積的前提下提高值。在設(shè)計規(guī)則允許的范圍內(nèi)，最多可以設(shè)置4 圈的全差分電感。

考慮到原理圖中的電感只有兩端引出，因此本文將2 個電感合并為一個電感，大幅降低了芯片面積。仿真結(jié)果：電感的感值為1 nH，阻值為0.8 歐姆。

3 分段式可變電容設(shè)計

VCO 的振蕩頻率由/的值決定，改變/的值可以調(diào)整VCO 的振蕩周期。調(diào)諧可變電容器的容值范圍為16 ～32 pF，變化范圍為16 pF。設(shè)計的數(shù)控電容陣列應(yīng)有50%的重復(fù)率，需要通過16 組數(shù)字碼覆蓋1 GHz 調(diào)諧范圍，則每組調(diào)諧碼硬覆蓋120 MHz 左右的頻率范圍，以便盡量選擇VT 值靠近中間的電容值從而提高系統(tǒng)的相位噪聲，因此數(shù)控電容的變化量應(yīng)保持在8 pF。50%的VCO 頻帶重復(fù)降低了VCO的靈敏度，也可以優(yōu)化VCO 相位噪聲。對電容進(jìn)行二進(jìn)制編碼，可以降低電容的數(shù)量，版圖布局時考慮了差分布局，因此電容數(shù)量分別為2、4、8、16。總電容數(shù)量為30 個。每對差分電容的容值均為8 pF。最終實現(xiàn)的電容陣列如圖4所示。每切換一組數(shù)字碼，調(diào)諧電壓不變時，頻率增加約60 MHz。

4 壓控振蕩器整體設(shè)計

VCO 的設(shè)計中，主要考慮了以下指標(biāo)：

（1）靈敏度：VCO 的靈敏度與VCO 的相位噪聲成反相關(guān)關(guān)系，因此盡量降低VCO 的調(diào)諧靈敏度，本芯片設(shè)定為40 MHz/V。

（2）帶寬：VCO 的調(diào)諧頻率范圍決定了產(chǎn)品的應(yīng)用范圍，是最高和最低頻率的差值，本芯片設(shè)定為1 000 MHz，單條頻帶帶寬為120 MHz。

（3）線性度：由于可變電容的非線性導(dǎo)致VCO 的調(diào)諧靈敏度并非常數(shù)，為提升芯片一致性，一般要求在整個調(diào)諧范圍內(nèi)最KVCOmax 不大于KVCOmin 的2 倍。

（4）相噪：VCO 設(shè)計中最重要的指標(biāo)要求，本芯片設(shè)定10 kHz 頻偏處，相位噪聲不高于-80 dBc/Hz@2.8 GHz。

壓控振蕩器設(shè)計采用了高Q 的電容和電感作為LC 諧振回路，采用互補的NMOS 和互補的PMOS 作為負(fù)阻單元，采用開關(guān)電容陣列展寬帶寬降低VCO 靈敏度，其相位噪聲指標(biāo)優(yōu)勢明顯，采用了差分電感結(jié)構(gòu)，節(jié)約版圖面積。VCO最終整體原理框圖如圖3所示。

圖3 壓控振蕩器原理框圖

其中MP1、MP2 和MN1、MN2 為差分負(fù)阻生成對管，用于將電流轉(zhuǎn)換為震蕩能量，L 和（CV，1）與（CV，2）組成了LC 振蕩電路，其中CV 代表可變電容器。4C、2C、C 分別代表固定電容，用于調(diào)諧VCO 的振蕩頻率范圍。B0、B1、B2 分別代表可變固定電容的開關(guān)管，用于控制電容接入。代表電調(diào)端。

最終形成的芯片版圖如圖4所示。

圖4 振蕩器的最終設(shè)計圖

5 最優(yōu)頻帶選帶技術(shù)

為了實現(xiàn)輸出頻段的連續(xù)性和更好的相位噪聲，所以VCO 的多個頻段是相互重疊的，如圖5所示。即實現(xiàn)相同的頻率輸出，可以選擇不同頻帶和不同低熱控制電壓。而為了達(dá)到最好的相位噪聲指標(biāo)，應(yīng)該選擇能使VCO 工作在頻段中心點附近的那個頻段。因為，工作在頻段中心點的VCO 溫度漂移最小。而且，VCO 應(yīng)用在VCXO 結(jié)構(gòu)中時，只有讓VCO 工作在頻帶中心點，才使得電荷泵的NMOS 和PMOS 匹配最佳，電荷泵的泄漏電流最小，電荷泵的雜散最小，使得相位噪聲達(dá)到最優(yōu)。

圖5 頻帶交疊的多頻帶VCO

所以，本設(shè)計中加入了基于二分法原理的自動選帶技術(shù)，這就是VCO 自舉電路。VCO 應(yīng)用于鎖相環(huán)電路時，從VCO的輸出端得到的振蕩信號經(jīng)過分頻后、與參考頻率進(jìn)入鑒相器、然后鑒相器結(jié)果輸出到電荷泵和環(huán)路低通濾波器，即可得到VCO 的電調(diào)電壓。增加與上下門限電壓的比較電路和選帶邏輯電路，即可實現(xiàn)頻帶的自動選擇功能。這里的選擇范圍為0.8 ～2.5 V。自適應(yīng)頻段選擇電路如圖6所示。

圖6 自適應(yīng)頻段選擇電路

步驟1：選擇合適的電阻來設(shè)定所需要的門限電壓，該設(shè)計中=2.5 V，=0.8 V。

步驟2：與和相比較，得到兩個值0 或者1。

步驟3：有限狀態(tài)機邏輯電路根據(jù)這兩個值產(chǎn)生相應(yīng)的控制碼。

步驟4：VCO 根據(jù)控制碼的變化而改變開關(guān)電容陣列，使輸出頻率發(fā)生相應(yīng)變化。

步驟5：VCO 的輸出端得到振蕩信號，經(jīng)過分頻后、與參考頻率比較、比較結(jié)果送給電荷泵和LFP，得到新的控制信號。

步驟6：重復(fù)步驟2 ～5，直至控制碼不再變化；控制電壓在和之間；VCO 已成功選擇最優(yōu)頻段，VCO輸出頻率穩(wěn)定。

頻段選擇邏輯電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一個6 狀態(tài)的狀態(tài)機，細(xì)部結(jié)構(gòu)在此不做分析。

6 芯片測試結(jié)果

芯片采用了CMOS 工藝進(jìn)行設(shè)計，采用了高Q 的電容和電感作為LC 諧振回路、互補的NMOS 和PMOS 作為負(fù)阻單元、開關(guān)電容陣列展寬帶寬降低VCO 靈敏度，以及采用二叉樹的原理設(shè)計了最優(yōu)頻帶選擇算法，從多個角度對相位噪聲進(jìn)行了優(yōu)化。

對芯片進(jìn)行測試，芯片在供電電壓為3.0 ～3.6 V，溫度為-40 ℃～85 ℃之間工作穩(wěn)定，性能良好，頻率范圍2.3 ～3.3 GHz，壓控增益為40 MHz/V。

圖7為freq=2.8 GHz 時的典型測試結(jié)果。在頻偏10 kHz處相位噪聲為-81 dBc/Hz@2.8 GHz。

圖7 相位噪聲結(jié)果

7 結(jié) 論

采用國內(nèi)CMOS 工藝設(shè)計了一款頻率范圍2.3 GHz ～3.3 GHz 的VCO，典型相位噪聲測試結(jié)果為-81 dBc/Hz@10 kHz。通過采用多種降低相位噪聲的設(shè)計手段，最終達(dá)到設(shè)計預(yù)期，滿足了SoC 系統(tǒng)集成低相位噪聲的頻率源類IP 的需求。