[摘要]通过对LC压控振荡器原理的分析，设计了一种新型CMOS集成压控振荡器。该电路通过利用振荡器的输出产生高电压来控制开关电容阵列的开启来实现输出频率在不同频段中转换，从而提高输出频率范围和降低相位噪声。电路采用TSMC18rf工艺，用Cadence的Spectre工具进行仿真。结果表明：在0.6V的电源电压下，频率覆盖了2.07GHz 到2.78GHz，可调控范围约为29%，总功耗约为1.8mW，1MHz频偏处相位噪声约为－120dB/Hz，满足了设计要求。
[关键词]压控振荡器 低压 宽频带 电容阵列
中图分类号：O46文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)0620030－02
压控振荡器（VCO）是现代无线电通信系统的重要组成部分。在当今集成电路向尺寸更小、频率更高、功耗更少、价格更低发展的趋势下，应用标准工艺设计生产高性能的压控振荡器已是射频集成电路中的一个重要课题[1][2]。环形振荡器易于集成，可调频率范围大，但相位噪声不如性能不如LC振荡器。LC压控振荡器要求高品质因素的无源器件，需要片上电感和变容管器件才能集成[3]。本文通过一个电压提升电路，利用电路的输出产生一个相对高的电压，用以控制开关调谐电容阵列的开启，实现输出频率在不同频段中转换。尽管电源电压接近MOS管阈值电压，但仍实现了高频、低压、宽调谐范围的性能。
一、电路设计
（一）宽频带频率调节电路
对于低压VCO电路，仅仅利用调节可变电容的大小而改变输出频率，频率的可调范围受到可变电容变容范围和控制电压VCON变压范围的限制，而且随着频率变化范围的增大，压控增益Kv也将增大，输出特性曲线就会出现弯曲，相位噪声性能将会变差。
宽频带低LC压控振荡器设计的关键是解决如何在扩展调节范围的同时而不降低电路的噪声性能和增加压控增益Kv。为了解决这一难题，本文通过在输出并联一个开关调谐电容阵列，将一个宽带调谐范围分段为多个窄带范围来进行调节[5]。
图１带电容调谐阵列的LC调频电路
为了对图１电路进行分析，我们先引入一组变量：
从式（1a-c）也可以看出，只要三个之中的任一值得到提高，VCO的调频范围也将随之增加。
分析图1可以得到电路的调频范围为：
本文设计的整体电路如图3所示，电路由低压VCO振荡电路、开关电容调谐阵列、开关控制电压提升电路三部分组成。VCON为控制电压，通过它改变电容Cv1、Cv2的电容值来调节电路输出信号的频率。
低压VCO还有一个显著的缺点是，它过低的电源电压不能给开关电容阵列的完全开启提供足够高的电压。在本电路中，当K1和K2闭合时，如M3~M6不能完全打开，那么电路的调频特性和噪声特性将受到致命破坏。
考虑到电路的输出振幅能达到电源电压的2倍，本文采用了一种新型的开关控制电压提升电路。如图2所示，它巧妙地利用了VCO的输出来给开关管M3～M6提供控制电源。为保证电路的对称性，该电路由两个对称的PMOS管P1、P2和两个对称的储能电容Cs1、Cs2组成。当Vout1升高，Vout2降低，P2管导通，储能电容Cs1、Cs2进行充电；同样，当Vout2升高，Vout1降低，P1管导通，储能电容也进行充电。由于VCO输出振幅可达2VDD，当电容充满后，Vc_d也将接近2VDD，并且该电路将不再产生功耗。
二、电路仿真及分析
基于TSMC18rf工艺库，采用Cadence的Spectre工具对电路进行仿真。在VDD＝0.6V下，频率特性如图3所示。可以看到所设计的压控振荡器覆盖了2.07GHz到2.78GHz，可调控范围为710MHz，约为29%，满足了实际工作宽频带的要求。电路的总电流约为3mA，总功耗约为1.8mW，1MHz处相位噪声约为－120dB/Hz。
三、结束语
本文在分析CMOS压控振荡器的原理的基础上，设计了一款新型的电源电压接近一个阈值电压的低压宽频带CMOS集成压控振荡器。该电路通过一个开关电容阵列来实现输出频率在不同频段中转换，从而提高输出频率的范围和降低相位噪声，并通过一个电压提升电路，利用振荡器的输出产生高电压来控制开关电容阵列的开启, 该设计在现代通讯设备中具有一定应用价值。
参考文献：
[1]毕查德.拉扎维,模拟CMOS集成电路设计[M]，西安交通大学出版社，2003.2:309-327.
[2]艾伦.霍尔伯格，CMOS模拟电路设计[M]，科学出版社，1994 .
[3]曹培栋，微电子技术基础－双极、场效应晶体管原理[M],电子工业出版社，2001.
[4]D.Park and S.Cho, A Power-Optimized CMOS LC VCO with Wide Tuning Range in 0.5-V Supply[J], IEEE Journal of Solid-State Circuits,2006,38[1].
[5]A.B.Berny and A.M.Niknejad, A 1.8-GHz LC VCO With 1.3-GHz Tuning Range and Digital Amplitude Calibration[J], IEEE Journal of Solid-State Circuits,2005,40[4].
作者简介：
徐仁伯，男，湖南大学物理与微电子科学学院，微电子与固体电子学硕士研究生，研究方向为CMOS模拟集成电路设计。
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