基于积累型MOS变容管的射频压控振荡器设计

    这样就将n阱的寄生电阻减少到最小。积累型MOS电容和普通MOS电容的调谐曲线如图4所示。

               
                       图4 积累型MOS电容的调制特性曲线

    可以看到积累型MOS电容良好的单调性。值得注意的是在设计积累型MOS电容的过程中没有引入任何附加工艺流程。

设计与仿真结果

            
                        图5 VCO的电路结构图

    笔者所采用的VCO电路结构如图5所示。这是标准的对称CMOS结构，两个变容管对称连接，减小了两端振荡时电位变化对变容管电容值的影响，提高了频谱纯度。为了保证匹配良好，电感要采用相同的双电感对称连接。此外，由于LC振荡回路由两个尺寸非常大的片内集成电感和两个同样有较大尺寸的积累型MOS变容管组成，较高的损耗使得品质因数不高，这就需要较大的负跨导来维持振荡持续进行；并且等效负跨导的绝对值必须比维持等幅振荡时所需要的跨导值大才能保证起振，所以两对耦合晶体管需要设置较大的宽长比，但大的宽长比同时带来较大的寄生效应，造成相位噪声和调谐范围受到影响，最终在底端用两个NMOS晶体管形成负电阻以补偿VCO的损耗。根据小信号模型分析，忽略各种寄生及高阶效应，可以估算得到等效负电阻RG的绝对值大小为（设两个有源器件跨导分别为gM1，gM2）：

     (2)　

    顶端的PMOS晶体管提供偏置电流，这种结构所需的电源电压很低。

    整个设计基于TSMC的0.35μm锗硅射频工艺模型PDK，共有三层金属。其中，电感为平面螺旋八边形，由顶层金属绕制而成。选取电感值为0.6nH，那么在振荡频率选定的情况下可以确定总的电容大小。构成LC振荡回路里的电容成份有电感的寄生电容（很小），NMOS晶体管的漏－衬底电容，栅－漏电容，栅－源电容和最重要的积累型MOS电容。在保证起振的情况下，为了获得更大的调谐范围，最后一项所占比例必须尽可能大。

          
                        图6 VCO的调谐曲线

    最后采用的电源电压为1.5V，功耗约为10mW。用Cadence平台下的SpectreRF进行仿真，得到的调谐曲线如图6所示。控制电压在0～2V变化时，振荡频率在3.59～4.77GHz间变化，中心频率为4.18GHz，调谐范围约为28％。中心频率处的相位噪声曲线如图7所示，此时的控制电压为0.75V，对应偏移量600kHz的相位噪声为-128dB/Hz。

            
                       图7 VCO的相位噪声曲线

    当控制电压由0.75V变到2V时，振荡频率变为4.77GHz，相位噪声变为  -135dB/Hz，降低了7dB。这是由两个方面的原因引起的，首先是由于LC振荡回路总的电容减小，振荡频率增加，这就减小了要维持振荡所需的负跨导，但因为两个NMOS晶体管提供的负跨导几乎不变，所以就使得稳定振荡幅度增加，相位噪声减小。另外一方面是源于此过程中积累型MOS电容的沟道寄生电阻会随着电压升高而变小，从而降低了损耗，降低了相位噪声。

    与采用反型MOS变容管设计的VCO比较，由于电子具有较高的迁移率，使得积累型MOS电容的沟道寄生电阻比反型MOS电容要低，即意味着积累型MOS电容具有较高的品质因数，导致了VCO整体性能有所提高，特别是相位噪声有所减少。比较结果如表1所示。考虑到工艺和功耗等因素，采用积累型MOS电容有更大的优势。

表1  两种MOS电容VCO的性能比较

结论

    基于0.35μm工艺，考虑低压和低功耗，设计了一个工作频率为4.2GHz的VCO，并在该电路中分别采用积累型MOS电容和反型MOS电容进行调谐。仿真结果表明，两种VCO调谐范围与中心频率几乎相同，在功耗约为10mW的情况下，积累型MOS调谐的VCO表现出更好的相位噪声性能。