射频宽带低噪声LC VCO

所设计的LC VCO电路拓扑结构如图1(a)所示。其中M1，M2为交叉PMOS管结构，构成负阻环节；M3，M4及IBl构成尾电流镜电路，为了减小该电路的1／f 噪声对VCO的L(△ω)的影响，通常使用PMOS管构成，原因是PMOS管比NMOS管有更低的闪烁噪声拐角频率，同时M3，M4的宽长比一般较大，这样可以改善低频率闪烁噪声；L1～L4，CV，M5，M6及电容降列构成了LC谐振腔。图1(b)为电容开关阵列内部结构，其中C1，C2为电容阵列。通过切换以实现多波段VCO，该方法使用3只NMOS管控制电容的断开或闭合，当UC1，2为高电平时，NMOS处于导通状态，电容阵列处于开启状态，相反 UC1，2为低电平时，电容阵列处于关闭状态，从而实现多波段切换；设计时波段切换除了采用电容阵列外，还使用开关电感器来实现更大范围的波段切换，两只 NMOS管M5，M6用于电感器的开关切换，当UL给出关闭信号时，M5，M6相当于短路，此时的电感为L1或L4，当UL给出开启信号时，M5，M6相当于断路，此时的电感量相当于L1与L2或L3与L4之和；CV为累积型MOS电容，与普通变容二极管相比，其具有较大的调谐范围与较好单调性，设计中 MOS电容在0～3.3 V的调谐电压下，电容量变化范围为0.7～1.4 pF。Q1，Q2和恒流源IB2，IB3构成输出缓冲器，目的是将信号进行放大。另外，图1(a)中Q1，Q2为BJT，其他均为CMOS器件，这样通过采用SiGe BiCMOS技术，提高了缓冲器的工作速度及驱动能力，在VCO振荡波形缓冲输出的同时还减小了外部电路对VCO振荡环节的噪声干扰。

2 流片制作及实测结果分析

采用0.35μm SiGe BiCMOS工艺，且用高掺杂衬底来降低闩锁效应，对所设计的VCO电路进行工艺流片，芯片照片如图2所示，整个芯片尺寸为1.2 mm×1.4 mm，电路版图设计主要考虑降低寄生电感、电容参数及其敏感性，同时减小输出波形失真并尽量保证布局的对称性。由于振荡器结点处的寄生效应直接影响压控振荡器的性能指标，所以为减小金属层与衬底之间的寄生电容，直接采用顶层金属层作为振荡器结点的连接层。另外，通过加厚金属层厚度来增大电流，从而抑制寄生电容。为了优化芯片设计，开关电容阵列放置于输出端和两个电阻之间。

工艺流片在江苏省电工电子学重点实验室进行，实验条件和测试过程为：先将LC VCO芯片经键合线与PCB板相连，再把PCB板固定在Al基座上，然后焊接片外元器件于PCB板上，最后将振荡输出信号经SMA接插件与测量仪器、仪表相连接。使用国产华博WS-100B电子电路实验设备进行测试，并用美国泰克Tektronix TDS5034B数字示波器显示振荡波形并测试频率等参数。MOS器件宽长比及电容电感之值如表2所示。表中(W／L)1， (W／L)2， (W／L)3， (W／L)4～6分别为M1，M2，M3，M4～M6的宽长比。通过变换电容阵列及开关电感等参数，共测出6组波段：1.9～2.1 GHz，2.1～2.4 GHz，2.4～3.0 GHz，3.0～3.4 GHz。3.4～4.2 GHz，4.2～5.7 GHz。当电容阵列与电感全为关闭状态时，电路获得4.2～5.7 GHz连续可调谐的输出信号，反之，当电容阵列与电感全为开启状态时，电路获得1.9～2.1 GHz的最低频率输出信号，如图3所示。这6组波段是连续可调的，因而构成了1.9～5.7 GHz的连续、可调的带宽范围。

4是所设计的VCO电路工作在2.4 GHz时的两路差分输出仿真实验波形。由图4可见，当电源电压为3.3 V时，电路经21 ns后进入稳定振荡状态，此时所设计的VCO的核电流约为1.8 mA，输出电压摆幅达到3.6 UP-P(UP-P为输出电压峰-峰值)，从图上明显可见，波形对称性良好。图5是所设计的VCO在中心频率为2.4 GHz、偏离中心频率1 kHz～1 MHz时获得的仿真与实测相位噪声(Nphase)曲线对比情况。根据曲线图可知，在偏离中心频率1 MHz处，所设计的VCO的仿真Nphase值为-110.35 dBc／Hz，实测Nphase值为-111.64 dBc／Hz，此实测数据比文献[1]的-113.70 dBc／Hz降低了2.06 dBc／Hz，比文献[2]的-114.00 dBc／Hz降低了2.36 dBc／Hz。表3给出了文献[1-2]及所设计的VCO的仿真与实测数据比较情况，其中fW表示带宽；tPD表示起振时延；DP表示起振时延一功耗 PD。由表3数据易见，所设计的VCO的频率范围、相位噪声都比文献[1-2]有所改善，虽然实测功耗PD比文献[1-2]略大3～4 mW，但起振时延比文献[1-2]小了约24 ms。而综合性能指标--起振时延-功耗积DP却比文献[1-2]约小100 pJ，足以验证了所设计的LC VCO电路在高速、低功耗性能方面的优势。

3 结论

运用台积电(TSMC)0.35 μm SiGe BiCMOS进行工艺设计，并实验验证了一种集成多波段、低噪声的差分BiCMOS LC VCO。所设计的VCO采用开关电容阵列