0  引言

隨著無線通信事業的飛速發展，產生了多種通信技術標準，諸如Bluetooth，GSM，WiFi，ZigBee等，通信頻率也從數百兆赫到數千兆赫不等。從應用成本和性能角度來看，由于調諧范圍寬、可靠性高的射頻(RF)芯片具有廣泛的使用價值，所以是當前無線通信系統的設計熱點之一。而作為無線RF收發芯片的核心部件的壓控振蕩器(VCO)，其性能好壞直接關系著RF芯片的質量。因此，多標準的通信技術對VCO提出高性能要求：獲得更寬的調諧范圍和更低的相位噪聲(Nphase)。文獻[1]介紹了一種增益可調節的CMOS LC VCO，但調節范圍只有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[2]設計了一種采用正交耦合結構的CMOS VCO，其調諧范圍也僅為3.*.9 GHz，功耗為8 mW，在1 MHz偏頻處Nphase為-114 dBc／Hz。為了解決上述文獻帶寬較窄、Nphase值偏高的缺陷，特設計了一款0.35μm SiGe BiCMOS差分LC VCO。

1  LC VCO電路設計

1.1  低Nphase值VCO的設計方案

Nphase值是VCO電路的一項重要性能指標，通常定義為給定頻率處1 Hz帶寬內的噪聲信號功率與輸出信號總功率之比。在實際分析時常使用經典的D．B．Leeson的相位噪聲L(Δω)計算式

式中：F為經驗系數，不同的工藝有相應的取值范圍；k為玻爾茲曼常數；T為Kelvin溫度；Ps為信號功率；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為振蕩信號角頻率；QL為LC諧振腔品質因數。Nphase主要由熱噪聲(thermal noise)和閃爍噪聲(flicker noise)組成，閃爍噪聲與VCO信號波形的對稱性有關，可通過設計信號擺幅對稱的VCO來改善閃爍噪聲，以減少對Nphase的影響，采用差分結構可使得輸出波形完全對稱。由式(1)知，VCO的Nphase與QL的平方成反比的關系，當LC諧振腔的品質因數增加時，就增強了對諧振頻率的選擇性，使諧振點處頻譜曲線變得更加尖銳，這就抑制了外部電路對VCO的Nphase的影響。要求設計時盡可能使用高Q值的片上電感。而基于微電子機械系統(MEMS)技術的片上螺旋電感，由于它采用降低損耗襯墊、減小金屬線圈損耗和構造三維立體結構等新技術，電感性能要優于傳統的片上電感，同時Q值也得以提高，且其體積小、功耗低、易于片內集成。

表1為平面螺旋電感與MEMS多層螺旋電感性能對比，從表中可以看出，電感量相當的兩種工藝方法，MEMS多層螺旋電感在更低的工頻下具有較高的Q值。采用HFSS器件軟件設計工具對電感進行了建模仿真，獲得該電感在4.0 GHz時的電感值L≈1.04 nH，Q≈11.3。現代通信系統要求VCO具有更高的頻率，這樣對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，會導致熱噪聲成為Nphase值的主要來源。VCO電路中熱噪聲主要與尾電流有關，尾電流增大，熱噪聲會隨之增加，反之則減小，但一味地減小尾電流將使電路輸出信號擺幅過小，甚至造成電路工作不穩定，以致停振。因此設計中對負阻電路的跨導作了優選，使電路擁有足夠大的振蕩幅度時，不致產生過量的熱噪聲而引起Nphase值增大。

1.2 VCO電路結構

所設計的LC VCO電路拓撲結構如圖1(a)所示。其中M1，M2為交叉PMOS管結構，構成負阻環節；M3，M4及IBl構成尾電流鏡電路，為了減小該電路的1／f噪聲對VCO的L(△ω)的影響，通常使用PMOS管構成，原因是PMOS管比NMOS管有更低的閃爍噪聲拐角頻率，同時M3，M4的寬長比一般較大，這樣可以改善低頻率閃爍噪聲；L1～L4，CV，M5，M6及電容降列構成了LC諧振腔。圖1(b)為電容開關陣列內部結構，其中C1，C2為電容陣列。通過切換以實現多波段VCO，該方法使用3只NMOS管控制電容的斷開或閉合，當UC1，2為高電平時，NMOS處于導通狀態，電容陣列處于開啟狀態，相反UC1，2為低電平時，電容陣列處于關閉狀態，從而實現多波段切換；設計時波段切換除了采用電容陣列外，還使用開關電感器來實現更大范圍的波段切換，兩只NMOS管M5，M6用于電感器的開關切換，當UL給出關閉信號時，M5，M6相當于短路，此時的電感為L1或L4，當UL給出開啟信號時，M5，M6相當于斷路，此時的電感量相當于L1與L2或L3與L4之和；CV為累積型MOS電容，與普通變容二極管相比，其具有較大的調諧范圍與較好單調性，設計中MOS電容在0～3.3 V的調諧電壓下，電容量變化范圍為0.7～1.4 pF。Q1，Q2和恒流源IB2，IB3構成輸出緩沖器，目的是將信號進行放大。另外，圖1(a)中Q1，Q2為BJT，其他均為CMOS器件，這樣通過采用SiGe BiCMOS技術，提高了緩沖器的工作速度及驅動能力，在VCO振蕩波形緩沖輸出的同時還減小了外部電路對VCO振蕩環節的噪聲干擾。

2  流片制作及實測結果分析

采用0.35μm SiGe BiCMOS工藝，且用高摻雜襯底來降低閂鎖效應，對所設計的VCO電路進行工藝流片，芯片照片如圖2所示，整個芯片尺寸為1.2 mm×1.4 mm，電路版圖設計主要考慮降低寄生電感、電容參數及其敏感性，同時減小輸出波形失真并盡量保證布局的對稱性。由于振蕩器結點處的寄生效應直接影響壓控振蕩器的性能指標，所以為減小金屬層與襯底之間的寄生電容，直接采用頂層金屬層作為振蕩器結點的連接層。另外，通過加厚金屬層厚度來增大電流，從而抑制寄生電容。為了優化芯片設計，開關電容陣列放置于輸出端和兩個電阻之間。