應用于無線局域網的低壓低功耗2.5GHz VCO設計

摘要：采用交叉耦合結構，利用TSMC90nm 1P9M 1．2V RFCMOS工藝設計的全集成LC壓控振蕩器(VCO)，符合IEEE 802．1lb／g WLAN通信標準。調諧電壓為0～1．2V，具有150MHz的調諧范圍(2．44GHz～2．59GHz)。利用Mentor Graphics Eldo對該電路進行仿真，仿真結果顯示，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
??? 隨著便攜式無線設備市場的迅速擴張，降低系統功耗成為射頻集成電路設計的重要方向。降低電源電壓作為減小電路功耗的一種常規方法，效果十分明顯，但設計時必須面對輸出擺幅下降、信噪比惡化，以及系統對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鍵模塊，其穩定性和頻譜純度對通信收發系統的性能至關重要。如何在輸出擺幅、相位噪聲、調諧范圍、偏置電流和功耗之間取得較好的折衷是VCO設計的最大難點。本文在總結LC VCO一般性設計方法和理論的基礎上，設計了一個適用于IEEE 802．11b／g WLAN(無線局域網)通信標準的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，相比其它文獻的同中心頻率VCO設計，功耗更低，同時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對管構成的負阻實現，為確保振蕩，需滿足條件

??? 其中，αg為增益裕度系數，典型值取2～3。gtank為LC諧振回路等效導納，gactive為負阻導納，且有
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??? 交叉耦合MOS管跨導可表示為
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??? 相對單NMOS或PMOS交叉結構VCO而言，互補交叉結構VCO的輸出波形更對稱，噪聲特性更好。因此本文選擇互補交叉結構的VCO，電路拓撲結構如圖1所示。根據LC振蕩器基本理論，該VCO的輸出頻率為
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??? 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管和后級電路的寄生電容)，調諧電壓Vtune控制Cv，使VCO輸出頻率廠f0隨Vtune的變化而變化。

2 電路設計
2．1 片上電感L的選取
??? 相位噪聲與Q值平方成反比關系，LC諧振回路的Q值越高，VCO相位噪聲越小。片上電容的品質因數比片上電感大很多，因而LC諧振回路的品質因數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，導致能量損耗，因此極大降低了片上電感的品質因數Q值。片上電感Q值可通過測量電感的Y參數獲得：
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??? 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M9層，共分三種類型：標準型(STD)電感、對稱型電感(SYM)和帶中心抽頭的對稱型電感(SYMCT)，可調節的參數包括電感金屬線寬度w、電感金屬線圈數nr和電感內直徑rad。為獲得更高的品質因數，應取最大的金屬線寬w，以減小寄生電阻。對不同規格的電感進行S參數的掃描仿真，經計算比較后，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 負阻RFMOS管的選取
??? RFPMOS和RFNMOS對管構成負阻單元，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gmp=gmn時，輸出波形具有最好的對稱性，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管應取工藝允許的最小尺寸，即nr×l×w=11×0．1μm×1μm。仿真結果表明，RFPMOS管尺寸取RFNMOS管的3倍時，輸出波形具有最好的對稱性。
2．3 固定電容Cfix和可變電容Cv的選取
??? 選取庫中參數為ff=32．8gm，wt=20μm 容值Cfix=1．046pF的MIM固定電容。考慮到工藝誤差和外界溫度的影響，VCO頻率調諧范圍應留有一定裕度。經比較后采用庫中參數為br=8，gr=7的1．2VN阱RFMOS變容管。仿真顯示，VCO的工作頻率在2．44～2．59GHz范圍內變化，完全覆蓋IEEE 802．b／g通信標準的頻率范圍。
2．4 偏置電流Ibias
??? l／f噪聲的上變頻噪聲對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，因此本設計采用PMOS尾電流源，PMOS管參數設置為fingers×l×w=5×1μm×100μm。
??? 電流限制區的Itail與相位噪聲關系如下
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??? 故Itail越大，相位噪聲越低。但Itail增大到一定程度后將進入電壓限制區，輸出擺幅被鉗制在Vlimit，對相位噪聲的改善將沒有任何意義。因此，Itail存在一個對應最小相位噪聲的優化值，位于電流限制區與電壓限制區臨界處。在對功耗和相位噪聲進行折衷考慮后，電流源Ibias值定為1．8mA。
2．5 噪聲濾除
??? 為進一步濾除VCO輸出中的高次諧波，在RFPMOS負阻管與地端之間接對稱型電感Lf，其參數取值為w=3，nr=6，rad=90。

3 仿真結果
??? 經Mentor Graphics Eldo仿真，VCO調諧曲線如圖2所示，當調諧電壓由0V變化至1．2V時，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性能參數如表l所示。

4 結論
??? 本文在總結VCO一般性設計方法的基礎上，利用TSMC 90nm 1．2V RFCMOS工藝設計了一個全集成交叉耦合LC VCO，其滿足IEEE 802．11b／g WLAN通信標準要求，較其它文獻的設計具有結構簡單、相位噪聲低和低壓、低功耗的優點，非常適用于對節電性能要求較高的便攜式WLAN收發設備。