一種新型的超低功耗正交壓控振蕩器的研究與設(shè)計＊

丁建群，陳生海，龍 勇，陳 淵，皺 豪，吳飛成，周文豪

（1.懷化學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 懷化 418000；2.武陵山片區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)智能控制湖南省重點實驗室，湖南 懷化 418000）

1 引言

振蕩器是射頻收發(fā)機(jī)中非常重要的模塊之一，它的性能好壞直接影響著整個收發(fā)機(jī)的整體性能。目前，業(yè)界有好幾種產(chǎn)生正交信號的方法，比如RC-CR多相濾波網(wǎng)絡(luò)法、分頻器結(jié)構(gòu)法、正交耦合法等。RC-CR網(wǎng)絡(luò)是一種非常簡單的產(chǎn)生正交信號的方式，整個網(wǎng)絡(luò)僅由電阻電容構(gòu)成。在整個頻率段中，只有一個頻率點上產(chǎn)生完全理想的正交信號（幅度相同、相位相差90°）。另外，隨著工藝和溫度的變化，RC乘積也會發(fā)生變化，導(dǎo)致理想正交信號的頻率點也發(fā)生變化，這為設(shè)計者帶來很大的麻煩。分頻器結(jié)構(gòu)要求輸入信號頻率很高，因而產(chǎn)生輸入信號的電路功耗比較大，而且觸發(fā)器本身也會消耗大量的功耗。正交耦合法結(jié)構(gòu)可以分為并聯(lián)耦合正交壓控振蕩器、串聯(lián)耦合正交壓控振蕩器、變壓器耦合正交壓控振蕩器。并聯(lián)耦合正交壓控振蕩器需要的MOS管數(shù)較多，相位噪聲較差；串聯(lián)耦合壓控振蕩器需要較高的電源電壓，而變壓器耦合法由于電感面積大，芯片的成本高。針對上述問題，本文設(shè)計了一種由PMOS管構(gòu)成的全新正交壓控振蕩器，通過單層MOS管結(jié)構(gòu)降低電源電壓，通過襯底耦合技術(shù)減少MOS管個數(shù)，通過電容反饋技術(shù)提高輸出擺幅，從而進(jìn)一步降低相位噪聲。本文組織如下：第2部分進(jìn)行電路設(shè)計和分析，第3部分給出仿真結(jié)構(gòu)，最后對本文進(jìn)行總結(jié)。

2 電路設(shè)計與分析

圖1是本文提出的電路結(jié)構(gòu)，諧振網(wǎng)絡(luò)由MOS管M1、M2、M3、M4、電容 C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、Cv和電感L5、L6、L7、L8組成。從圖中可以看出，本文通過電感L1、L2、L3、L4這4個電感取代傳統(tǒng)的尾電流源，減少了電路的層級數(shù)，這樣可以降低電源電壓，同時電感是無源器件，可以減少由尾電流源產(chǎn)生的噪聲。由于PMOS管器件的噪聲性能比NMOS管要好，本文的MOS管全部由PMOS管構(gòu)成。此外，相比傳統(tǒng)的MOS并聯(lián)耦合技術(shù)，本文將正交信號通過電容C5、C6、C7、C8分別輸送到M1、M2、M3、M4襯底端，實現(xiàn)襯底耦合，減少了MOS管個數(shù)，從而減小功耗和噪聲。為了在低的電源電壓下，獲得較好相位噪聲性能，本文通過電容C1、C2、C3、C4，將4個MOS管源極信號反饋到漏極，通過這種負(fù)反饋技術(shù)來提高輸出信號擺幅。由于相位噪聲與信號幅度成反比，高的輸出擺幅進(jìn)一步降低相位噪聲。

圖1 超低功耗正交壓控振蕩器電路圖

3 仿真結(jié)果

本文采用臺積電180 nm工藝進(jìn)行仿真，芯片的核心面積為1.71×0.939 mm2（不包括焊盤）。在0.46 V電源電壓下，電路的直流工作電流為1.83 mA，即電路的直流功耗只有0.842 mW。圖2是電路的瞬態(tài)仿真波形，從圖中可以看出，輸出信號具有較高的輸出擺幅。圖3是在2.4 GHz工作頻率下仿真得出的相位噪聲，從中我們可以看出，提出的電路的相位噪聲為118.6 dBc/Hz@1MHz。

由于相位噪聲、功耗、工作頻率之間互相影響，在振動器中，有一個綜合衡量壓控振蕩器指標(biāo)，即優(yōu)值（FoM，F(xiàn)igure of Merit)，其公式為：

式（1）中：foffset為偏移工作頻率；f0為工作頻率；PDC是壓控振蕩器的直流功耗，mW。

FOM越高，振蕩器的整體性能越好。表1是近幾年公開發(fā)表的一些文獻(xiàn)和本文指標(biāo)的對比情況，由表1可知，本文提出的功耗最低，低于1 mW，實現(xiàn)了超低功耗的目的。

圖2 電路瞬態(tài)仿真波形

圖3 相位噪聲仿真波形

表1 本文與已發(fā)表文獻(xiàn)的指標(biāo)對比

4 結(jié)束語

采用單層MOS管結(jié)構(gòu)，通過襯底耦合和襯底偏置技術(shù)，在低電源電壓下，實現(xiàn)了超低功耗和較好的相位噪聲性能。

［1］S.-L.Jang，D.A.Tu，C.-W.Chang，et al.A low power push-push differential VCO using current-reuse circuit design.Progress Electromag.Res.C，2012，27（2）：85-97.

［2］K.-W.Kim，H.-J.Chang，Y.-M.Kim，et al.A 5.8 GHz lowphase-noise LC-QVCO using splitting switched biasing technique.IEEE Microw.Wireless Compon.Lett.，2010，20（6）：337-339.