LC VCO电路设计及实测结果分析

RF/无线

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描述

随着无线通信事业的飞速发展,产生了多种通信技术标准,诸如Bluetooth,GSM,WiFi,ZigBee等,通信频率也从数百兆赫到数千兆赫不等。从应用成本和性能角度来看,由于调谐范围宽、可靠性高的射频(RF)芯片具有广泛的使用价值,所以是当前无线通信系统的设计热点之一。而作为无线RF收发芯片的核心部件的压控振荡器(VCO),其性能好坏直接关系着RF芯片的质量。因此,多标准的通信技术对VCO提出高性能要求:获得更宽的调谐范围和更低的相位噪声 (Nphase)。文献[1]介绍了一种增益可调节的CMOS LC VCO,但调节范围只有4.39~5.26 GHz,功耗为9.7 mW,在1 MHz偏频处Nphase为-113.7 dBc/Hz。文献[2]设计了一种采用正交耦合结构的CMOS VCO,其调谐范围也仅为3.*.9 GHz,功耗为8 mW,在1 MHz偏频处Nphase为-114 dBc/Hz。为了解决上述文献带宽较窄、Nphase值偏高的缺陷,特设计了一款0.35μm SiGe BiCMOS差分LC VCO。

1 LC VCO电路设计

1.1 低Nphase值VCO的设计方案

Nphase值是VCO电路的一项重要性能指标,通常定义为给定频率处1 Hz带宽内的噪声信号功率与输出信号总功率之比。在实际分析时常使用经典的D.B.Leeson的相位噪声L(Δω)计算式

式中:F为经验系数,不同的工艺有相应的取值范围;k为玻尔兹曼常数;T为Kelvin温度;Ps为信号功率;Δω为偏离频率,Δω1/f3为振荡器中有源器件的闪烁噪声角频率;ω0为振荡信号角频率;QL为LC谐振腔品质因数。Nphase主要由热噪声(thermal noise)和闪烁噪声(flicker noise)组成,闪烁噪声与VCO信号波形的对称性有关,可通过设计信号摆幅对称的VCO来改善闪烁噪声,以减少对Nphase的影响,采用差分结构可使得输出波形完全对称。由式(1)知,VCO的Nphase与QL的平方成反比的关系,当LC谐振腔的品质因数增加时,就增强了对谐振频率的选择性,使谐振点处频谱曲线变得更加尖锐,这就抑制了外部电路对VCO的Nphase的影响。要求设计时尽可能使用高Q值的片上电感。而基于微电子机械系统(MEMS)技术的片上螺旋电感,由于它采用降低损耗衬垫、减小金属线圈损耗和构造三维立体结构等新技术,电感性能要优于传统的片上电感,同时Q值也得以提高,且其体积小、功耗低、易于片内集成。

表1为平面螺旋电感与MEMS多层螺旋电感性能对比,从表中可以看出,电感量相当的两种工艺方法,MEMS多层螺旋电感在更低的工频下具有较高的Q 值。采用HFSS器件软件设计工具对电感进行了建模仿真,获得该电感在4.0 GHz时的电感值L≈1.04 nH,Q≈11.3。现代通信系统要求VCO具有更高的频率,这样对VCO在更高频率处的Nphase值要求就更高,其频率一般高于VCO的拐角频率,会导致热噪声成为Nphase值的主要来源。VCO电路中热噪声主要与尾电流有关,尾电流增大,热噪声会随之增加,反之则减小,但一味地减小尾电流将使电路输出信号摆幅过小,甚至造成电路工作不稳定,以致停振。因此设计中对负阻电路的跨导作了优选,使电路拥有足够大的振荡幅度时,不致产生过量的热噪声而引起 Nphase值增大。

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1.2 VCO电路结构

所设计的LC VCO电路拓扑结构如图1(a)所示。其中M1,M2为交叉PMOS管结构,构成负阻环节;M3,M4及IBl构成尾电流镜电路,为了减小该电路的1/f 噪声对VCO的L(△ω)的影响,通常使用PMOS管构成,原因是PMOS管比NMOS管有更低的闪烁噪声拐角频率,同时M3,M4的宽长比一般较大,这样可以改善低频率闪烁噪声;L1~L4,CV,M5,M6及电容降列构成了LC谐振腔。图1(b)为电容开关阵列内部结构,其中C1,C2为电容阵列。通过切换以实现多波段VCO,该方法使用3只NMOS管控制电容的断开或闭合,当UC1,2为高电平时,NMOS处于导通状态,电容阵列处于开启状态,相反 UC1,2为低电平时,电容阵列处于关闭状态,从而实现多波段切换;设计时波段切换除了采用电容阵列外,还使用开关电感器来实现更大范围的波段切换,两只 NMOS管M5,M6用于电感器的开关切换,当UL给出关闭信号时,M5,M6相当于短路,此时的电感为L1或L4,当UL给出开启信号时,M5,M6相当于断路,此时的电感量相当于L1与L2或L3与L4之和;CV为累积型MOS电容,与普通变容二极管相比,其具有较大的调谐范围与较好单调性,设计中 MOS电容在0~3.3 V的调谐电压下,电容量变化范围为0.7~1.4 pF。Q1,Q2和恒流源IB2,IB3构成输出缓冲器,目的是将信号进行放大。另外,图1(a)中Q1,Q2为BJT,其他均为CMOS器件,这样通过采用SiGe BiCMOS技术,提高了缓冲器的工作速度及驱动能力,在VCO振荡波形缓冲输出的同时还减小了外部电路对VCO振荡环节的噪声干扰。

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2 流片制作及实测结果分析

采用0.35μm SiGe BiCMOS工艺,且用高掺杂衬底来降低闩锁效应,对所设计的VCO电路进行工艺流片,芯片照片如图2所示,整个芯片尺寸为1.2 mm×1.4 mm,电路版图设计主要考虑降低寄生电感、电容参数及其敏感性,同时减小输出波形失真并尽量保证布局的对称性。由于振荡器结点处的寄生效应直接影响压控振荡器的性能指标,所以为减小金属层与衬底之间的寄生电容,直接采用顶层金属层作为振荡器结点的连接层。另外,通过加厚金属层厚度来增大电流,从而抑制寄生电容。为了优化芯片设计,开关电容阵列放置于输出端和两个电阻之间。

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工艺流片在江苏省电工电子学重点实验室进行,实验条件和测试过程为:先将LC VCO芯片经键合线与PCB板相连,再把PCB板固定在Al基座上,然后焊接片外元器件于PCB板上,最后将振荡输出信号经SMA接插件与测量仪器、仪表相连接。使用国产华博WS-100B电子电路实验设备进行测试,并用美国泰克Tektronix TDS5034B数字示波器显示振荡波形并测试频率等参数。MOS器件宽长比及电容电感之值如表2所示。表中(W/L)1, (W/L)2, (W/L)3, (W/L)4~6分别为M1,M2,M3,M4~M6的宽长比。通过变换电容阵列及开关电感等参数,共测出6组波段:1.9~2.1 GHz,2.1~2.4 GHz,2.4~3.0 GHz,3.0~3.4 GHz。3.4~4.2 GHz,4.2~5.7 GHz。当电容阵列与电感全为关闭状态时,电路获得4.2~5.7 GHz连续可调谐的输出信号,反之,当电容阵列与电感全为开启状态时,电路获得1.9~2.1 GHz的最低频率输出信号,如图3所示。这6组波段是连续可调的,因而构成了1.9~5.7 GHz的连续、可调的带宽范围。

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4是所设计的VCO电路工作在2.4 GHz时的两路差分输出仿真实验波形。由图4可见,当电源电压为3.3 V时,电路经21 ns后进入稳定振荡状态,此时所设计的VCO的核电流约为1.8 mA,输出电压摆幅达到3.6 UP-P(UP-P为输出电压峰-峰值),从图上明显可见,波形对称性良好。图5是所设计的VCO在中心频率为2.4 GHz、偏离中心频率1 kHz~1 MHz时获得的仿真与实测相位噪声(Nphase)曲线对比情况。根据曲线图可知,在偏离中心频率1 MHz处,所设计的VCO的仿真Nphase值为-110.35 dBc/Hz,实测Nphase值为-111.64 dBc/Hz,此实测数据比文献[1]的-113.70 dBc/Hz降低了2.06 dBc/Hz,比文献[2]的-114.00 dBc/Hz降低了2.36 dBc/Hz。表3给出了文献[1-2]及所设计的VCO的仿真与实测数据比较情况,其中fW表示带宽;tPD表示起振时延;DP表示起振时延一功耗 PD。由表3数据易见,所设计的VCO的频率范围、相位噪声都比文献[1-2]有所改善,虽然实测功耗PD比文献[1-2]略大3~4 mW,但起振时延比文献[1-2]小了约24 ms。而综合性能指标——起振时延-功耗积DP却比文献[1-2]约小100 pJ,足以验证了所设计的LC VCO电路在高速、低功耗性能方面的优势。

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3 结论

运用台积电(TSMC)0.35 μm SiGe BiCMOS进行工艺设计,并实验验证了一种集成多波段、低噪声的差分BiCMOS LC VCO。所设计的VCO采用开关电容阵列和开关电感,以达到加宽频带的目的;另外优选LC谐振腔负阻跨导,使之工作在最佳振荡状态;另外,文中选用高Q值的MEMS多层片上螺旋电感,有效地降低了Nphase值。对所设计的LC VCO先进行了版图优化设计,优化措施包括降低闩锁效应、抑制寄生电容等,然后做了工艺流片和硬件电路以及仿真实验。比较实测结果,从而说明了所设计的 LC VCO可工作在6种频率范围内,从最低频率1.9 GHz到最高频率5.7 GHz,为连续的宽带调谐范围。与文献[1-2]中的VCO相比,所设计的VCO拓宽了频带,当中心频率为2.4 GHz时,在偏离中心频率1 MHz处的实测Nphase值为-111.64 dBc/Hz,比文献[1-2]中的VCO有所降低;当电源电压为3.3 V时所设计的VCO的实测核静态电流约为1.8 mA,而起振时延-功耗积则降为355.6 pJ,因而验证了设计工作的正确性。

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