一种宽频低功耗低相位噪声的CMOS压控振荡器设计

        基于SMIC0.18umCOMS工艺，设计一种宽频低功耗低相位噪声的CMOS压控振荡器，电路采用差分LC振荡器，同时采用积累型MOS可变电容、缓冲电路及经改良的开关电容阵列，以降低功耗和相位噪声，由仿真结果可知，电路频率调谐范围为2.5G～3.1G，频偏为1MHz时相位噪声分布在-118dBc/Hz～-122dBc/Hz，工作电流小于10mA，满足设计要求，可应用于DRM/DAB接收机。
DRM：全球数字广播系统（Digital Radio Mondiale）
DAB：数字声音广播（Digital Audio Broadcasting），即欧洲Eureka-147系统，是有些国家使用于电台广播的一项数字技术。
1.VCO在接收中的应用
VCO在系统中的位置如图1所示，它属于环路部分，前级为环路滤波器，后级为多模分频器和可编程分频器。


图1 VCO在DRM/DAB接收机中的位置

环路滤波器将PFD（鉴相鉴频器）和CP（电荷泵）产生的控制电压经过滤波之后提供给VCO。VCO根据控制电压（Vcon）和控制字(由I2C控制)产生相应频率的振荡信号，此振荡信号通过多模分频器器之后作为频率源提供给本地振荡器（LO），同时也通过可编程分频器反馈给PFD和CP。VCO输出的振荡信号的频率为PLL输入信号(PFD/CP的输入)频率的N倍（N为可编程分频器的分频比），即fout=Nfin。  


       
2.电路设计
2.1 VCO电路图
图2所示为VCO的总电路图，采用经典的互补型差分耦合压控振荡器结构，并将尾电流去掉，使相位噪声性能得到明显提高。M1和M2为NMOS差分耦合对，M3和M4为PMOS差分耦合对，采用互补型的差分耦合对更容易起振，具有功耗和振幅的优势，相位噪声也较小；开关电容阵列（SCA）用来拓宽频率调谐范围而又不使压控增益过大；SCA由控制字来控制，对谐振腔中的电容进行粗调。可变电容用来在每一个控制字下对谐振腔中的电容进行细调。L即为谐振腔中的电感。缓冲电路用来将VCO的输出信号进行进一步放大，以提高其驱动后级的能力，同时也将VCO和它的后级电路隔离开来，避免VCO的振荡频率和相位噪声性能受后级电路的影响。


图2 VCO总电路图

图2是互补型LC交叉耦合振荡器，该结构同时采用NMOS和PMOS两对差分耦合放大器提供负阻补偿谐振电路损耗的能量。对于相同的偏置电流和MOS管尺寸，互补型结构提供的负阻是单对MOS管结构的两倍，电路起振更容易。由于NMOS对管和PMOS对管分别给对方提供电流，电流可以复用，增大振荡器输出信号摆幅，并且通过优化器件参数使两输出端与中间电路节点上的输出电压波形对称，从而尽可能地减小振荡器的相位噪声。
互补型LC交叉耦合振荡器在输出信号幅度、功耗以及相位噪声等方面具有明显的优势。  


       
2.2 可变电容
本电路采用的是积累型MOS可变电容，属于有源器件，使用时需加偏置电路。图3所示为可变电容的电路图，R1、R2、R3和R4为可变电容的管子提供偏置。C1和C2为隔直电容，使可变电容的偏置电路独立于其它电路，互不影响。Vcon为控制电压，是环路滤波器的输出，用来控制可变电容的电容值。


图3 可变电容的电路图

  


       
2.3 开关电容阵列（SCA）
图4所示为开关电容阵列的电路，有四个控制字D0、D1、D2和D3，可以有16种组合。CF为滤波电容。图5所示为开关电容阵列中所使用的MOS开关管，在控制字端和源（漏）端之间加入反相器，数模混合，使MOS开关管的源（漏）极的电压有确定值（低或高）且始终大于等于0，使得开关管电路对噪声不敏感。


图4 开关电容阵列


图5 MOS开关管
  


       

2.4 缓冲电路
图6所示为缓冲电路，由一个反相器和一个推挽放大器组成，采用两级电路之后具有高隔离度。其中Rb1和Rb2是偏置电阻；Rf是反馈电阻，可使电路更稳定；Cd0、Cd1和Cd2是隔直电阻，使各电路的偏置相互独立，互不影响。


图6 缓冲电路

  


       
3.仿真结果
3.1 工作电流
图7所示为仿真得到的工作电流，平均值为4.75mA，如果除去起振时候的过冲电流的话，基本上可以达到4mA。表2对各个工艺角下的工作电流做了对比，可以看出工作电流最坏情况下为5mA左右，功耗符合设计要求。
表1 控制字0111下的工作电流




图7 工作电流（0111 TT）

3.2 瞬态特性
图8所示为瞬态仿真的结果。在起始条件中设置一个500mV的电压之后，VCO能够快速起振，振荡曲线和振荡频率正常，实现VCO的基本功能。其它工艺角下结果类似。


图8 瞬态仿真结果(控制字为0111 vcon=0.9V，TT)


图9 压控特性曲线（TT）


图10 相位噪声曲线（控制字0000,vcon=0.9,TT）

3.3 压控特性曲线
图9所示为TT工艺角下的压控特性曲围为2.5G～3.1G，在实现宽调谐范围的同时又保持了较低的压控增益。控制字为1110时压控增益较低，平均值为60MHz/V左右。其它工艺角下结果类似。
3.4 相位噪声
图10为在0000控制字下仿真得到的相位噪声曲线，对不同工艺脚分析相位噪声，可看出相位噪声随着控制字的增加而减小，因此在对TT工艺角的所有控制字进行相位噪声仿真之后，只需对FF和SS工艺角的第一个控制字和最后一个控制字以及中间的一部分控制字的相位噪声进行仿真，便可知所有控制字下的相位噪声性能。在频偏为1MHz时相位噪声基本分布在-118dBc/Hz～-122dBc/Hz，基本满足低相位噪声的要求。
4.结语
本文设计了可应用于DRM/DAB接收机的压控振荡器，并对普通的电路结构进行改进，以降低功耗和相位噪声，经仿真分析，性能满足设计要求，但仍有些需要改进的地方，在后续设计中应通过进一步优化可变电容的偏置电压及改进算法，提高压控增益曲线的线性度及相位噪声曲线的平滑性。