基于O.18μm CMOS工艺的宽带LCVCO设计

通常衡量VCO的指标有：自振频率、振荡范围、输出幅度，相噪．功耗等。一般采用优值FOM(Figure of Merit)来评价VCO的优劣：

其中：f0是自振频率，△f为频偏．L(△f)是频偏△f，处的相噪。P为直流功耗

2 宽带LCVCO设计实现
本文目标是设计一个覆盖1.1 GHz～2．1 GHz频段的CMOS LCVCO电路。覆盖范围包括如表l所示的各标准协议频段。
使LCVCO获得大调谐范围的方法之一是增大容抗管的Cmax／Cmin，但这会增大VCO的压控增益KCCO。，致使相噪恶化。为了解决这个矛盾，通常采用开关电容阵列(DC-CA)把频带分为若干子频带，通过开关电容的接人与断开来实现子频带之间的切换，子频带内则由容抗管的调谐来实现覆盖，其结构图如图3。

通常，通过开关选通逻辑阵列控制其通断，开关电容阵列以2权重递增嘲。振荡频率范围计算公式如下：

其中C为DCCA的单位电容；Cp为寄生电容。当i=1时，得到，fVCO的最大值；当i=k时，得到fVCO。的最小值。
宽带VCO采用NMOS差分耦合结构的原因是由于电子的迁移率较空穴要高2倍～3倍，在相同的跨导情况下NMOS管的寄生电容要比PMOS管小，有利于获得更大的振荡范围。本文的负阻管尺寸设为28 μm／O．21μm，这里适当增加管子的沟道长度以减小深亚微米MOS器件的热电子效应。为了优化相位噪声，设计中使电流偏置在电流限制区与电压限制区的交界处。考虑到不同子频段有合理需要不同的偏置电流及负阻，电路中增加了两差分耦合管对结六路偏置电流开关。
整个设计如图4，电感L的选取必须兼顾振荡频率范围和起振条件以及版图面积，这里选择电感值为4．95 nH的片上螺旋电感；CV为积累型MOS容抗管，VO口的加入使得容抗管可以偏置在最佳点。为了减小KVCO的波动，这里加入了3个自控容抗管模块，控制信号分别为S[3]、S[6]、S[8]，完成在相应子频段上对KCO。进行补偿。九对MIM电容(S[O]～S[9])采用电容累加的方法进行选择，实现子频段的粗调。即相邻子频段之间的转换通过增加一个开关电容或者减少一个开关电容来实现。开关管S[i]的宽长比需在接入所导致增加的寄生电容和导通电阻Ron之间折衷，因为保持LC回路的Q值要求减小Ron，而寄生电容则会减小频带的调节范围。本文开关管的宽长比设置为18μm×18 μm MIM电容搭配4．2μm／0．18μm尺寸的开关管。为了在导通时刻保持一恒定直流电位，这里在开关管漏极接入了一个宽长比为O．4 μm／O．22 μm的MOS管。

4 结论
采用NMOS差分耦合振荡器结构，设计了一个1．8 V宽带LCVCO电路．通过MIM电容阵列和积累型MOS容抗管自控阵列实现频率粗调和细调；通过尾电流开关阵列优化输出信号幅度和相位噪声。本文的设计在O．18μm RFCMOS工艺下实现了较大的频率覆盖，电流消耗低至2．1 mA。该VCO能满足工作在1.1 GHz～2.1 GHz频率段的多标准无线系统的应用要求。