一種新型的超低功耗正交壓控振蕩器的研究與設計＊

丁建群，陳生海，龍 勇，陳 淵，皺 豪，吳飛成，周文豪

（1.懷化學院 電氣與信息工程學院，湖南 懷化 418000；2.武陵山片區生態農業智能控制湖南省重點實驗室，湖南 懷化 418000）

1 引言

振蕩器是射頻收發機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機的整體性能。目前，業界有好幾種產生正交信號的方法，比如RC-CR多相濾波網絡法、分頻器結構法、正交耦合法等。RC-CR網絡是一種非常簡單的產生正交信號的方式，整個網絡僅由電阻電容構成。在整個頻率段中，只有一個頻率點上產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乘積也會發生變化，導致理想正交信號的頻率點也發生變化，這為設計者帶來很大的麻煩。分頻器結構要求輸入信號頻率很高，因而產生輸入信號的電路功耗比較大，而且觸發器本身也會消耗大量的功耗。正交耦合法結構可以分為并聯耦合正交壓控振蕩器、串聯耦合正交壓控振蕩器、變壓器耦合正交壓控振蕩器。并聯耦合正交壓控振蕩器需要的MOS管數較多，相位噪聲較差；串聯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，本文設計了一種由PMOS管構成的全新正交壓控振蕩器，通過單層MOS管結構降低電源電壓，通過襯底耦合技術減少MOS管個數，通過電容反饋技術提高輸出擺幅，從而進一步降低相位噪聲。本文組織如下：第2部分進行電路設計和分析，第3部分給出仿真結構，最后對本文進行總結。

2 電路設計與分析

圖1是本文提出的電路結構，諧振網絡由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個電感取代傳統的尾電流源，減少了電路的層級數，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管構成。此外，相比傳統的MOS并聯耦合技術，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，實現襯底耦合，減少了MOS管個數，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，通過這種負反饋技術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 仿真結果

本文采用臺積電180 nm工藝進行仿真，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，即優值（FoM，Figure 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是近幾年公開發表的一些文獻和本文指標的對比情況，由表1可知，本文提出的功耗最低，低于1 mW，實現了超低功耗的目的。

圖2 電路瞬態仿真波形

圖3 相位噪聲仿真波形

表1 本文與已發表文獻的指標對比

4 結束語

采用單層MOS管結構，通過襯底耦合和襯底偏置技術，在低電源電壓下，實現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.