1.9～5.7GHz寬帶低噪聲BiCMOSLCVCO
劉建峰，成立，楊寧，周洋，凌新，嚴(yán)鳴
(1．江蘇大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013；2．南通職業(yè)大學(xué)電子工程系，江蘇 南通 226007；3．鎮(zhèn)江市312國(guó)道管理站，江蘇 鎮(zhèn)江 212001)
0 引言
隨著無(wú)線通信事業(yè)的飛速發(fā)展，產(chǎn)生了多種通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，諸如Bluetooth，GSM，WiFi，ZigBee等，通信頻率也從數(shù)百兆赫到數(shù)千兆赫不等。從應(yīng)用成本和性能角度來(lái)看，由于調(diào)諧范圍寬、可靠性高的射頻(RF)芯片具有廣泛的使用價(jià)值，所以是當(dāng)前無(wú)線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)熱點(diǎn)之一。而作為無(wú)線RF收發(fā)芯片的核心部件的壓控振蕩器(VCO)，其性能好壞直接關(guān)系著RF芯片的質(zhì)量。因此，多標(biāo)準(zhǔn)的通信技術(shù)對(duì)VCO提出高性能要求：獲得更寬的調(diào)諧范圍和更低的相位噪聲(Nphase)。文獻(xiàn)[1]介紹了一種增益可調(diào)節(jié)的CMOSLC VCO，但調(diào)節(jié)范圍只有4.39～5.26 GHz，功耗為9.7 mW，在1 MHz偏頻處Nphase為-113.7 dBc／Hz。文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了一種采用正交耦合結(jié)構(gòu)的CMOSVCO，其調(diào)諧范圍也僅為3.6～4.9 GHz，功耗為8 mW，在1 MHz偏頻處Nphase為-114 dBc／Hz。為了解決上述文獻(xiàn)帶寬較窄、Nphase值偏高的缺陷，特設(shè)計(jì)了一款0.35μm SiGe BiCMOS差分LC VCO。
1 LC VCO電路設(shè)計(jì)
1.1 低Nphase值VCO的設(shè)計(jì)方案
Nphase值是VCO電路的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，通常定義為給定頻率處1 Hz帶寬內(nèi)的噪聲信號(hào)功率與輸出信號(hào)總功率之比。在實(shí)際分析時(shí)常使用經(jīng)典的D．B．Leeson的相位噪聲L(Δω)計(jì)算式
式中：F為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，不同的工藝有相應(yīng)的取值范圍；k為玻爾茲曼常數(shù)；T為Kelvin溫度；Ps為信號(hào)功率；Δω為偏離頻率，Δω1／f3為振蕩器中有源器件的閃爍噪聲角頻率；ω0為振蕩信號(hào)角頻率；QL為L(zhǎng)C諧振腔品質(zhì)因數(shù)。Nphase主要由熱噪聲(thermal noise)和閃爍噪聲(flicker noise)組成，閃爍噪聲與VCO信號(hào)波形的對(duì)稱性有關(guān)，可通過(guò)設(shè)計(jì)信號(hào)擺幅對(duì)稱的VCO來(lái)改善閃爍噪聲，以減少對(duì)Nphase的影響，采用差分結(jié)構(gòu)可使得輸出波形完全對(duì)稱。由式(1)知，VCO的Nphase與QL的平方成反比的關(guān)系，當(dāng)LC諧振腔的品質(zhì)因數(shù)增加時(shí)，就增強(qiáng)了對(duì)諧振頻率的選擇性，使諧振點(diǎn)處頻譜曲線變得更加尖銳，這就抑制了外部電路對(duì)VCO的Nphase的影響。要求設(shè)計(jì)時(shí)盡可能使用高Q值的片上電感。而基于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的片上螺旋電感，由于它采用降低損耗襯墊、減小金屬線圈損耗和構(gòu)造三維立體結(jié)構(gòu)等新技術(shù)，電感性能要優(yōu)于傳統(tǒng)的片上電感，同時(shí)Q值也得以提高，且其體積小、功耗低、易于片內(nèi)集成。
表1為平面螺旋電感與MEMS多層螺旋電感性能對(duì)比，從表中可以看出，電感量相當(dāng)?shù)膬煞N工藝方法，MEMS多層螺旋電感在更低的工頻下具有較高的Q值。采用HFSS器件軟件設(shè)計(jì)工具對(duì)電感進(jìn)行了建模仿真，獲得該電感在4.0 GHz時(shí)的電感值L≈1.04 nH，Q≈11.3�，F(xiàn)代通信系統(tǒng)要求VCO具有更高的頻率，這樣對(duì)VCO在更高頻率處的Nphase值要求就更高，其頻率一般高于VCO的拐角頻率，會(huì)導(dǎo)致熱噪聲成為Nphase值的主要來(lái)源。VCO電路中熱噪聲主要與尾電流有關(guān)，尾電流增大，熱噪聲會(huì)隨之增加，反之則減小，但一味地減小尾電流將使電路輸出信號(hào)擺幅過(guò)小，甚至造成電路工作不穩(wěn)定，以致停振。因此設(shè)計(jì)
