采用可调谐高Q 有源电感的高优值VCO 的研究*

张 正张延华温晓伟那伟聪

(北京工业大学信息学部，北京 100124)

随着无线通信技术的快速发展，对收发机射频前端的综合性能要求越来越高，这就需要其中的压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator，VCO)模块具有较宽的振荡频率调谐范围、较低的相位噪声和较低的功耗等综合性能。但是这些性能指标是相互制约的，往往采用优值(Figure-Of-Merit，FOM)[1]来衡量VCO 的综合性能，值越大，表示综合性能越好。当前，对具有高FOM 值的VCO 的研究成为一个热点[2-4]。Wu C H 等人[2]基于CMOS 工艺设计了一款VCO，采用寄生电容抵消型负阻结构去改善相位噪声，最低相位噪声为-116 dBc/Hz，功耗为3.92 mW，但只通过可变电容对振荡频率进行调谐，调谐手段单一，调谐范围仅为24%。考虑到相位噪声、功耗、调谐范围这些性能指标后，其FOM 值为-182 dBc/Hz。Jung J 等人[3]基于CMOS 工艺实现了一款VCO，采用了平行交叉耦合对负阻结构，降低了负阻中NMOS 晶体管的跨导，可使VCO 用更小的电源电压来驱动，进而降低了功耗，为1.2 mW，相位噪声为-117 dBc/Hz，但其调谐范围仅有28.5%，该VCO 的FOM 值为-190 dBc/Hz。Kanar T 等人[4]基于CMOS 工艺设计了一款VCO，将三对折叠式Cascode结构交叉耦合到一起，实现了较大的调谐范围，可达153%，相位噪声为-112 dBc/Hz，但该VCO 直流工作电路较多，功耗过高，达120 mW，该VCO 的FOM值较低，仅为-95 dBc/Hz。可以看出对于这些VCO，在相位噪声、调谐范围、功耗这些性能指标之间难以有一个良好的折衷，导致FOM 值不高。

因此，针对上述问题，开展基于高电感值、宽调谐范围、高Q值的宽频带新型有源电感(THQAI)的VCO 的研究，并用于VCO 的谐振回路中，利用新型THQAI 的高性能，分别改善VCO 的频率调谐范围和降低相位噪声，同时采用电流复用的负阻电路结构来降低功耗。这些技术手段使VCO 在调谐范围、相位噪声和功耗等方面得到较好的改善，获得高的优值FOM。论文安排如下:首先给出高优值VCO所采用的电路拓扑，并分别介绍了基于有源电感和电容的可调谐LC 振荡回路的设计，电流复用型负阻结构的设计和输出缓冲级的设计，接着基于TSMC 0.13 μm CMOS 工艺，对高优值VCO 进行性能验证，并与近几年文献的VCO 进行对比，最后给出结论。

1 高优值(FOM)VCO 的设计

图1 为高优值(FOM)VCO 的电路拓扑图。它主要包括可调谐的LC 振荡回路、电流复用型负阻电路以及输出缓冲级3 个部分。下面对它的各级电路的设计进行简要分析。

1.1 可调谐LC 振荡回路的设计

振荡回路是VCO 中最核心的部分，图2 所示为可调LC 振荡回路的电路拓扑，由可调谐有源电感LAI和由NMOS 晶体管M3、M4构成的可变电容组成。下面分别对LAI和可调LC振荡回路进行具体分析。

所提出的具有宽带、高电感值、高Q值且宽调谐范围的新型有源电感(THQAI)的电路拓扑如图3 所示。下面简要说明它的性能参数是如何实现的。

图1 采用有源电感的高优值VCO

图2 VCO 的可调LC 振荡回路

图3 提出的新型有源电感电路拓扑

有源电感的宽工作频带的实现:引入PMOS 晶体管M3，并与NMOS 晶体管M2构成Cascode 负跨导器，拓展了工作频带。

高Q值的实现:引入反馈电阻R1至正、负跨导器之间，减小该有源电感的等效串联电阻，进而提高Q值。

高电感值的实现:在第一回转正、负跨导器之间引入负载电容，通过增加等效回转电容来提高电感值；由NMOS 晶体管M4、M5和M6，反馈电阻R2，负载电容C2构成第二回转器，并与第一回转器形成对称结构的双回转器，增加回转能力，提高该有源电感的等效电感值。

宽电感值调谐范围的实现:在第一回转器中引入由NMOS 晶体管M7构成的可变电容，通过改变等效回转电容值来改变该有源电感的等效电感值；在第二回转器中引入由NMOS 晶体管M8和电阻R3、R4构成可变分压偏置电路，在改变偏置电压时，可以同时改变NMOS 晶体管M1和PMOS 晶体管M4的跨导，进而改变该有源电感的等效电感值。通过这两种调节手段，使该有源电感的电感值获得较宽的调谐范围。

把有源电感用于LC VCO 中，VCO 的品质因数Q(VCO)值可表示为:

式中:Q(L)表示振荡回路中电感的Q值，Q(C)表示振荡回路中电容的Q值。可以看出，Q(VCO)值与振荡回路中电感的Q(L)值有关。电感的Q(L)值越高，Q(VCO)值越高。

根据VCO 的相位噪声表达式

式中:T为温度，k为玻尔兹曼常数，Pc为载波功率，ω0为振荡频率，Δω为偏离振荡频率1 MHz 的频率偏移量。可以看出，VCO 的相位噪声与Q(VCO)值有关，Q(VCO)值越高，其相位噪声越低。因此，利用所设计的有源电感LAI具有较高的Q(L)值，可使VCO具有较高的Q(VCO)值，从而使其具有较低的相位噪声。

另一方面，VCO 的振荡频率f的表达式为:

式中:L和C分别为振荡回路中的电感值和电容值。

可以看出，通过对振荡回路中的电感值和电容值进行调节，可以对压控振荡器的振荡频率f进行调节。本LC 振荡回路的调节，可通过调节THQAI的LAI及调节由NMOS 晶体管M3、M4构成的可变电容2 种方式进行，利用LAI的电感值具有较宽调谐范围的特性，可使该VCO 的振荡频率具有较宽的调谐范围。

综上所述，可调LC 振荡回路，利用THQAI 高Q值的特性，可实现VCO 的低相位噪声；利用THQAI的电感值LAI可在较宽范围内调谐的特性，可实现振荡频率的宽范围调谐。因此，可从相位噪声和调谐范围两方面提高VCO 的优值。

1.2 电流复用型负阻电路的设计

除振荡回路以外，负阻电路也是VCO 中不可或缺的，它可以抵消振荡回路中的电阻，使其在谐振频率点能够连续振荡，因此它在VCO 中也占有重要的角色。

图4 所示为传统负阻电路的拓扑[5-8]，可以看出，它是由2 个NMOS 晶体管MC1、MC2构成的NMOS交叉耦合对。其中，MC1的漏极和栅极连接电源电压VCC，源极连接尾电流源IC1，MC2的漏极和栅极连接电源电压VCC，源极连接尾电流源IC1。通过两条直流通路分别为MC1、MC2提供直流偏置，功耗较高。它的功耗Pdc可表示为:

图4 传统负阻电路拓扑[5-8]

由于MC1、MC2的栅极直接连接电源电压VCC，导致MC1、MC2栅极的偏压过高，所以该负阻电路受到周期振荡信号的影响，会使MC1、MC2在某一时刻工作在线性区而不是饱和区，导致VCO 相位噪声较高。下面对MC2进行举例说明。

VCO 在持续振荡时，会在MC2的栅极产生一个正向的小信号电压vin，此时它的栅源电压VGS为:

相应地，在MC2的漏极产生一个负向的小信号电压-vout，此时它的漏源电压VDS可表示为:

而NMOS 晶体管MC2工作在线性区的条件为:

可以看出，在某一时刻，当vin和vout的数值较大时，即vin+vout≥VTH时，MC2工作在线性区，相位噪声较高。MC1与MC2同理。

针对VCO 采用的传统负阻电路所导致的功耗较高、相位噪声较高的问题，我们提出了电流复用型负阻电路，如图5 所示，下面对其进行详细分析。

图5 提出的电流复用型负阻电路

该电流复用型负阻电路，由隔直电容C1、C2，扼流电感L1，电阻R1、R2，PMOS 晶体管M1以及NMOS晶体管M2构成交叉耦合对。其中，M1的源极连接电源电压VCC，L1的一端连接M1的漏极，另一端连接M2的漏极，M2的源极接地，通过一条直流通路为M1和M2提供直流偏置，它的电路功耗Pdc可表示为:

将电流复用型负阻电路与传统负阻电路功耗进行对比，可以看出，后者的电路功耗仅为前者的1/2，所以，采用电流复用型负阻电路，可降低VCO的功耗。

另一方面，在M1的栅极与L1之间引入C2，在M2的栅极与L1之间引入C1，隔离了电源电压VCC为M1以及M2的栅极提供的偏压，并在M1和M2的栅极分别引入电阻R1、R2，通过额外的偏置电压Vb1、Vb2分别为M1和M2的栅极提供合适的偏压，使M1和M2始终工作在饱和区，减弱了周期振荡信号对电流复用型负阻电路的影响，可降低VCO 的相位噪声。下面对M2进行举例说明。

采用电流复用型负阻电路的VCO 在持续振荡时，同样会在M2的栅极产生一个正向的小信号电压vin，会在M2的漏极产生一个负向的小信号电压-vout，此时它的漏源电压VDS2为:

但由于通过额外的偏置电压Vb2为M2的栅极提供偏压，所以此时M2的栅源电压VGS2可表示为:

而NMOS 晶体管M2工作在饱和区的条件为:

可以看出，通过合理设置Vb2的值，可以使M2始终工作在饱和区，M1与M2同理。

综上所述，负阻电路采用NMOS-PMOS 交叉耦合对，电流复用，只有一条直流通路，降低了VCO 的功耗；通过为M1和M2的栅极提供合适的偏压，可使M1和M2始终工作在饱和区，减弱了周期振荡信号的影响，降低了VCO 的相位噪声，因而可从功耗和相位噪声两个方面提高其优值。

1.3 输出缓冲级的设计

图6 所示为该VCO 输出缓冲级的电路拓扑，分别由共源NMOS 晶体管M5、共源NMOS 晶体管M6构成，用于驱动负载测试和放大VCO 的输出波形。

图6 VCO 的输出缓冲级

2 高优值VCO 的性能验证和结果分析

基于TSMC 0.13 μm CMOS 工艺库，利用安捷伦射频集成电路设计工具ADS 对所设计的VCO 进行性能验证。所使用的4 种不同组合偏置电压与有源电感LAI的可调偏置电压Vturn1、Vturn2和可变电容的可调偏置电压Vturn3的关系如表1 所示。

表1 VCO 所用的4 组合偏置电压

2.1 相位噪声

图7 所示为VCO 的相位噪声在不同组合偏置下与频率偏移量的关系。

图7 不同组合偏置下的相位噪声

可以看出，VCO 的相位噪声在1 MHz 频率偏移处始终低于-100.6 dBc/Hz，在bias1 下，相位噪声最高，为-100.6 dBc/Hz，在bias4 的情况下，相位噪声最低，仅为-123 dBc/Hz。

2.2 调谐范围

图8 所示为VCO 在不同组合偏置下，振荡频率的变化。可以看出，在4 种组合偏置的情况下，该VCO 的振荡频率可从0.94 GHz 调谐到2.02 GHz，调谐范围可达73%。

2.3 优值(FOM)

对VCO，在考虑相位噪声L(Δω)、振荡频率调谐范围(TR)和电路功耗Pdc后，优值FOM(VCO)可表示为[1，9]:

根据上述的性能验证结果，VCO 的性能参数可总结如下:最低相位噪声为-123 dBc/Hz，调谐范围可达73%，电路功耗仅为13.4 mW，可算得其优值FOM(VCO)为-195.1 dBc/Hz，表明综合性能较好。

图8 不同组合偏置下的振荡频率

2.4 与已报道VCO 的性能比较

表2 给出了所提出的VCO 与近年发表的VCO的主要性能参数的对比。

表2 所提出的VCO 与近年已发表VCO的性能参数比较

从表2 可以看出，所提出的VCO 实现了较大的频率调谐范围(TR)，可达73%，优于文献[10]的2%和文献[11]的50%；并且其最低相位噪声仅为-123 dBc/Hz，优于文献[10]的-105 dBc/Hz、文献[4]的-112 dBc/Hz 和文献[11]的-92.37 dBc/Hz；电路功耗为13.4 mW，优于文献[4]的120 mW；这些优良的性能参数使本VCO 的FOM(VCO)值达到-195.1 dBc/Hz，优于文献[10]的-138.19 dBc/Hz、文献[3]的-95 dBc/Hz 和文献[11]的-163.11 dBc/Hz，综合性能较好，这得益于:在可调LC 振荡回路中采用具有宽带、高电感值、高Q值和宽调谐范围的新型有源电感，利用它高Q值的特性，实现了VCO 的低相位噪声，利用它的电感值具有较宽调谐范围的特性，实现了VCO 的较大频率调谐范围；由于负阻电路中，电流复用，只有一条直流工作支路，降低了功耗，另外，又由于该电路中的2 个MOS 晶体管始终工作在饱和区，降低了其相位噪声。通过上述这些技术手段，使该VCO 的性能从相位噪声、频率调谐范围和功耗3 个方面得到了改善，最终获得了较高的优值。

3 结论

在该VCO 设计中，为了实现其较低的相位噪声，在LC 振荡回路中，采用了具有高Q值、电感值可宽范围调谐的新型有源电感，分别降低了VCO 相位噪声和扩展了振荡频率的调谐范围。同时，在负阻电路中，将电流复用，只有一条直流工作支路，且其中的MOS 晶体管始终工作在饱和区，降低了功耗和降低了相位噪声；通过以上技术手段，使得VCO的性能从功耗、相位噪声和调谐范围这3 个方面得到了改善，从而使其具有较高的优值。然后，基于TSMC 0.13 μm CMOS 工艺库，对该VCO 进行性能验证。结果表明，最低相位噪声为-123 dBc/Hz，调谐范围为73%，电路功耗仅为13.4 mW，使得VCO 的优值为-195.1 dBc/Hz，取得了较好的综合性能。