压控振荡器（VCO）广泛应用于无线接收、有线接收、数据通信、时钟恢复等领域，常用来提供精确、稳定的周期时变信号。VCO的主要性能指标包括中心频率及频率调节范围、频率稳定度、相位噪声、调谐线性度、输出振幅、功耗、信号纯度等。伴随着CMOS工艺以及通信技术领域的迅速发展，VCO设计在不断向着高频率、高带宽、高稳定度、高集成度、低相位噪声、低功耗及低工作电压的方向发展。压控振荡器主要分为两类：环路振荡器和LC振荡器。环路振荡器易于集成、调谐范围大，但是其相位噪声性能比LC振荡器差。而LC振荡器因其内部LC谐振回路的滤波特性故能获得更好的相位噪声性能。这一特性在对相位噪声性能要求越来越高的背景下，相比于环形振荡器使得LC振荡器具有更加广泛的应用。

    本设计对LC压控振荡器的电路结构、调谐范围、相位噪声以及功耗等方面做了详细的分析研究，基于ADS仿真软件设计了一款宽调谐范围、低相位噪声、低功耗的互补交叉耦合型LC压控振荡器。
1 电路设计
1.1 工作原理
    振荡器一般都由放大单元电路和实现正反馈的反馈网络两部分组成，若放大单元的传递函数用Ha(ω)表示，反馈网络的传递函数用Hf(ω)表示，则振荡器的起振条件和平衡条件[1]可表示为：

    理想LC谐振腔中所储能量在电容和电感中相互转换而没有损耗，故能无限振荡下去。但是由于实际电容和电感都存在着寄生电阻，因此LC谐振腔中所储能量在转换过程中不可避免地要在寄生电阻上损耗一部分，如若没有能量补充，则LC谐振腔将做幅度逐渐减小的阻尼振荡而不能持续振荡下去。一种解决方法就是利用负阻提供足够能量补偿LC谐振腔中的能量损耗从而使其能持续振荡。
1.2 负阻实现
    负阻常由交叉耦合的NMOS对管或PMOS对管实现，常用结构有三种：单NMOS结构；单PMOS结构；互补NMOS和PMOS结构。相比于单MOS结构，互补结构有以下优点：(1)互补结构有两对MOS对管提供负阻，故可用更小的电流补偿电容、电感的损耗，降低了功耗。(2)互补结构有更大的输出振幅，故有更好的信噪比，且不需要后级缓冲电路。(3)可通过调整两种管子的尺寸使其跨导相等（gn=gp）以得到更对称的振荡波形，从而降低相位噪声[2]。不过互补结构也有占用面积大、工作电压高的特点，但高工作电压也意味着有宽的电压调谐范围，即低的调谐增益K，这也进一步优化了相位噪声性能。基于以上分析本设计最终选定互补型结构，其电路结构如图1所示。

    由上分析可知，若要在不恶化相位噪声的基础上降低功耗则须：(1)在满足相位噪声和振幅指标要求的前提下适当降低工作电压和电流；(2)选择合适的Ibias值使LC电路工作在电流限制区和电压限制区的临界处；(3)尽可能提高谐振腔中电容，尤其是电感的Q值以降低Rtank的值；(4)适当提高谐振腔中L的值并降低C的值。
2 仿真结果
    根据上面分析设计的电路利用ADS软件仿真，得到的相位噪声曲线和f-v调谐曲线分别如图2、图3所示。
    结果显示：在电源电压Vdd=1.8 V时，调谐电压范围为0~1.8 V，中心频点为2.42 GHz，调谐范围为2.127 GHz~2.714 GHz,调谐范围达到24.26%，调谐增益小于100 MHz/V，相位噪声为-139.385 dBc/Hz@1MHz,静态功耗为7.74 mW。

    本设计采用开关电容阵列对频率离散粗调和MOS变容管对频率连续微调相结合的方法实现宽调谐，通过选用小电容系数比的MOS变容管并在其两端并联高Q值的MIM电容降低调谐增益Ｋvco，同时采用互补结构，不但增加了调谐电压的输入范围，而且使输出波形更对称，从而降低了相噪。另外，在尾电流、电源电压以及调谐电压等处进行滤波，进一步降低了相噪，并通过选择合适的Ibias值在功耗和相位噪声之间进行了折中,最终设计出了一个宽调谐范围低相位噪声且低功耗的互补交叉耦合型LC压控振荡器，满足当前通信系统的要求，可广泛应用于各种射频前端中。
参考文献
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