应用于无线局域网的低压低功耗2.5GHz VCO设计

摘要：采用交叉耦合结构，利用TSMC90nm 1P9M 1．2V RFCMOS工艺设计的全集成LC压控振荡器(VCO)，符合IEEE 802．1lb／g WLAN通信标准。调谐电压为0～1．2V，具有150MHz的调谐范围(2．44GHz～2．59GHz)。利用Mentor Graphics Eldo对该电路进行仿真，仿真结果显示，在2．5GHz工作频率处，相位噪声约为-122．3dBc／Hz@1MHz，功耗仅为1．9mW。
关键词：压控振荡器；无线局域网；低压；低功耗；低相位噪声

0 引言
    随着便携式无线设备市场的迅速扩张，降低系统功耗成为射频集成电路设计的重要方向。降低电源电压作为减小电路功耗的一种常规方法，效果十分明显，但设计时必须面对输出摆幅下降、信噪比恶化，以及系统对PVT(Process,Voltage，Temperature)因素更加敏感等诸多问题。
    压控振荡器(VCO)作为频率合成器的关键模块，其稳定性和频谱纯度对通信收发系统的性能至关重要。如何在输出摆幅、相位噪声、调谐范围、偏置电流和功耗之间取得较好的折衷是VCO设计的最大难点。本文在总结LC VCO一般性设计方法和理论的基础上，设计了一个适用于IEEE 802．11b／g WLAN(无线局域网)通信标准的VCO。为降低功耗，该VCO采用TSMC 90nm 1．2V低电源电压工艺，仿真结果显示，在2．5GHz中心频率处，功耗仅为1．9mW，相位噪声约为-122．3dBc／Hz＠1MHz，相比其它文献的同中心频率VCO设计，功耗更低，同时具有较低的相位噪声。

1 LC VCO的基本工作原理
    交叉耦合型LC VCO利用有源器件-g，不断补充LC谐振同路寄生电阻g所消耗的能量，以维持振荡。有源器件一般可用MOS对管构成的负阻实现，为确保振荡，需满足条件

    其中，αg为增益裕度系数，典型值取2～3。gtank为LC谐振回路等效导纳，gactive为负阻导纳，且有
  
    交叉耦合MOS管跨导可表示为
   
    相对单NMOS或PMOS交叉结构VCO而言，互补交叉结构VCO的输出波形更对称，噪声特性更好。因此本文选择互补交叉结构的VCO，电路拓扑结构如图1所示。根据LC振荡器基本理论，该VCO的输出频率为
  
    其中，Ctotal为VCO的总电容值，包括固定电容Cfix、可变电容Cv，以及寄生电容Cp(电感L、交叉耦合MOS管和后级电路的寄生电容)，调谐电压Vtune控制Cv，使VCO输出频率厂f0随Vtune的变化而变化。

2 电路设计
2．1 片上电感L的选取
    相位噪声与Q值平方成反比关系，LC谐振回路的Q值越高，VCO相位噪声越小。片上电容的品质因数比片上电感大很多，因而LC谐振回路的品质因数主要取决于片上电感。由于片上电感和硅衬底之间存在耦合电容，能量将被耦合至衬底中，导致能量损耗，因此极大降低了片上电感的品质因数Q值。片上电感Q值可通过测量电感的Y参数获得：
   
    TSMC 90nm 1P9M 1．2V RFCMOS工艺的片上电感为铜金属八边形平面螺旋电感，制作在P型衬底上。为降低电感与衬底间的氧化层电容，减小高频损耗，通常使用工艺中最厚的顶层金属制作电感。TSMC 90nm 1P9M 1．2VRFCMOS库中的片上电感采用Ultra Thick Metal工艺，位于顶层金属M9层，共分三种类型：标准型(STD)电感、对称型电感(SYM)和带中心抽头的对称型电感(SYMCT)，可调节的参数包括电感金属线宽度w、电感金属线圈数nr和电感内直径rad。为获得更高的品质因数，应取最大的金属线宽w，以减小寄生电阻。对不同规格的电感进行S参数的扫描仿真，经计算比较后，最终采用尺寸为w=15 μm，nr=3，=90 μm，感值L=1．43nH的SYM电感，在振荡频率2．5GHz处，其Q值约为14．9。
2．2 负阻RFMOS管的选取
    RFPMOS和RFNMOS对管构成负阻单元，提供维持振荡所必须的能量。由式(1)～(3)可知，W／L必须足够大以确保起振。当gmp=gmn时，输出波形具有最好的对称性，可有效抑制1／f噪声的上变频。由于电子的迁移率是空穴的2～3倍，故RFPMOS管和RFNMOS管的W／L比应在2～3之间。为降低振荡器功耗，并减小MOS管的寄生电容，RFNMOS管应取工艺允许的最小尺寸，即nr×l×w=11×0．1μm×1μm。仿真结果表明，RFPMOS管尺寸取RFNMOS管的3倍时，输出波形具有最好的对称性。
2．3 固定电容Cfix和可变电容Cv的选取
    选取库中参数为ff=32．8gm，wt=20μm 容值Cfix=1．046pF的MIM固定电容。考虑到工艺误差和外界温度的影响，VCO频率调谐范围应留有一定裕度。经比较后采用库中参数为br=8，gr=7的1．2VN阱RFMOS变容管。仿真显示，VCO的工作频率在2．44～2．59GHz范围内变化，完全覆盖IEEE 802．b／g通信标准的频率范围。
2．4 偏置电流Ibias
    l／f噪声的上变频噪声对尾电流源影响最为显著，由于PMOS管比NMOS具有更低的l／f噪声，因此本设计采用PMOS尾电流源，PMOS管参数设置为fingers×l×w=5×1μm×100μm。
    电流限制区的Itail与相位噪声关系如下
   
    故Itail越大，相位噪声越低。但Itail增大到一定程度后将进入电压限制区，输出摆幅被钳制在Vlimit，对相位噪声的改善将没有任何意义。因此，Itail存在一个对应最小相位噪声的优化值，位于电流限制区与电压限制区临界处。在对功耗和相位噪声进行折衷考虑后，电流源Ibias值定为1．8mA。
2．5 噪声滤除
    为进一步滤除VCO输出中的高次谐波，在RFPMOS负阻管与地端之间接对称型电感Lf，其参数取值为w=3，nr=6，rad=90。

3 仿真结果
    经Mentor Graphics Eldo仿真，VCO调谐曲线如图2所示，当调谐电压由0V变化至1．2V时，VCO的输出频率从2．44GHz增大至2．59GHz。在2．5GHz中心频率处的相位噪声特性曲线如图3所示。

    VCO性能参数如表l所示。

4 结论
    本文在总结VCO一般性设计方法的基础上，利用TSMC 90nm 1．2V RFCMOS工艺设计了一个全集成交叉耦合LC VCO，其满足IEEE 802．11b／g WLAN通信标准要求，较其它文献的设计具有结构简单、相位噪声低和低压、低功耗的优点，非常适用于对节电性能要求较高的便携式WLAN收发设备。