射頻寬帶低噪聲LC VCO

0 引言

隨著無線通信事業(yè)的飛速發(fā)展，產(chǎn)生了多種通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，諸如Bluetooth，GSM，WiFi，ZigBee等，通信頻率也從數(shù)百兆赫到數(shù)千兆赫不等。從應(yīng)用成本和性能角度來看，由于調(diào)諧范圍寬、可靠性高的射頻(RF)芯片具有廣泛的使用價(jià)值，所以是當(dāng)前無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)熱點(diǎn)之一。而作為無線RF收發(fā)芯片的核心部件的壓控振蕩器(VCO)，其性能好壞直接關(guān)系著RF芯片的質(zhì)量。因此，多標(biāo)準(zhǔn)的通信技術(shù)對(duì)VCO提出高性能要求：獲得更寬的調(diào)諧范圍和更低的相位噪聲 (Nphase)。文獻(xiàn)[1]介紹了一種增益可調(diào)節(jié)的CMOS LC VCO，但調(diào)節(jié)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(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了一種采用正交耦合結(jié)構(gòu)的CMOS VCO，其調(diào)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(xiàn)帶寬較窄、Nphase值偏高的缺陷，特設(shè)計(jì)了一款0.35μm SiGe BiCMOS差分LC VCO。

1 LC VCO電路設(shè)計(jì)

1.1 低Nphase值VCO的設(shè)計(jì)方案

Nphase值是VCO電路的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，通常定義為給定頻率處1 Hz帶寬內(nèi)的噪聲信號(hào)功率與輸出信號(hào)總功率之比。在實(shí)際分析時(shí)常使用經(jīng)典的D．B．Leeson的相位噪聲L(Δω)計(jì)算式

式中：F為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，不同的工藝有相應(yīng)的取值范圍；k為玻爾茲曼常數(shù)；T為Kelvin溫度；Ps為信號(hào)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(hào)角頻率；QL為L(zhǎng)C諧振腔品質(zhì)因數(shù)。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(hào)波形的對(duì)稱性有關(guān)，可通過設(shè)計(jì)信號(hào)擺幅對(duì)稱的VCO來改善閃爍噪聲，以減少對(duì)Nphase的影響，采用差分結(jié)構(gòu)可使得輸出波形完全對(duì)稱。由式(1)知，VCO的Nphase與QL的平方成反比的關(guān)系，當(dāng)LC諧振腔的品質(zhì)因數(shù)增加時(shí)，就增強(qiáng)了對(duì)諧振頻率的選擇性，使諧振點(diǎn)處頻譜曲線變得更加尖銳，這就抑制了外部電路對(duì)VCO的Nphase的影響。要求設(shè)計(jì)時(shí)盡可能使用高Q值的片上電感。而基于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)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(gòu)造三維立體結(jié)構(gòu)等新技術(shù)，電感性能要優(yōu)于傳統(tǒng)的片上電感，同時(shí)Q值也得以提高，且其體積小、功耗低、易于片內(nèi)集成。

表1為平面螺旋電感與MEMS多層螺旋電感性能對(duì)比，從表中可以看出，電感量相當(dāng)?shù)膬煞N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(shè)計(jì)工具對(duì)電感進(jìn)行了建模仿真，獲得該電感在4.0 GHz時(shí)的電感值L≈1.04 nH，Q≈11.3。現(xiàn)代通信系統(tǒng)要求VCO具有更高的頻率，這樣對(duì)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(huì)導(dǎo)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(guān)，尾電流增大，熱噪聲會(huì)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(hào)擺幅過小，甚至造成電路工作不穩(wěn)定，以致停振。因此設(shè)計(jì)中對(duì)負(fù)阻電路的跨導(dǎo)作了優(yōu)選，使電路擁有足夠大的振蕩幅度時(shí)，不致產(chǎn)生過量的熱噪聲而引起 Nphase值增大。

1.2 VCO電路結(jié)構(gòu)

所設(shè)計(jì)的LC VCO電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。其中M1，M2為交叉PMOS管結(jié)構(gòu)，構(gòu)成負(fù)阻環(huán)節(jié)；M3，M4及IBl構(gòu)成尾電流鏡電路，為了減小該電路的1／f 噪聲對(duì)VCO的L(△ω)的影響，通常使用PMOS管構(gòu)成，原因是PMOS管比NMOS管有更低的閃爍噪聲拐角頻率，同時(shí)M3，M4的寬長(zhǎng)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(gòu)成了LC諧振腔。圖1(b)為電容開關(guān)陣列內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其中C1，C2為電容陣列。通過切換以實(shí)現(xiàn)多波段VCO，該方法使用3只NMOS管控制電容的斷開或閉合，當(dāng)UC1，2為高電平時(shí)，NMOS處于導(dǎo)通狀態(tài)，電容陣列處于開啟狀態(tài)，相反 UC1，2為低電平時(shí)，電容陣列處于關(guān)閉狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)多波段切換；設(shè)計(jì)時(shí)波段切換除了采用電容陣列外，還使用開關(guān)電感器來實(shí)現(xiàn)更大范圍的波段切換，兩只 NMOS管M5，M6用于電感器的開關(guān)切換，當(dāng)UL給出關(guān)閉信號(hào)時(shí)，M5，M6相當(dāng)于短路，此時(shí)的電感為L(zhǎng)1或L4，當(dāng)UL給出開啟信號(hào)時(shí)，M5，M6相當(dāng)于斷路，此時(shí)的電感量相當(dāng)于L1與L2或L3與L4之和；CV為累積型MOS電容，與普通變?nèi)荻O管相比，其具有較大的調(diào)諧范圍與較好單調(diào)性，設(shè)計(jì)中 MOS電容在0～3.3 V的調(diào)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(gòu)成輸出緩沖器，目的是將信號(hào)進(jìn)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(shù)，提高了緩沖器的工作速度及驅(qū)動(dòng)能力，在VCO振蕩波形緩沖輸出的同時(shí)還減小了外部電路對(duì)VCO振蕩環(huán)節(jié)的噪聲干擾。

2 流片制作及實(shí)測(cè)結(jié)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(yīng)，對(duì)所設(shè)計(jì)的VCO電路進(jìn)行工藝流片，芯片照片如圖2所示，整個(gè)芯片尺寸為1.2 mm×1.4 mm，電路版圖設(shè)計(jì)主要考慮降低寄生電感、電容參數(shù)及其敏感性，同時(shí)減小輸出波形失真并盡量保證布局的對(duì)稱性。由于振蕩器結(jié)點(diǎn)處的寄生效應(yīng)直接影響壓控振蕩器的性能指標(biāo)，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(jié)點(diǎn)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(yōu)化芯片設(shè)計(jì)，開關(guān)電容陣列放置于輸出端和兩個(gè)電阻之間。

工藝流片在江蘇省電工電子學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)條件和測(cè)試過程為：先將LC VCO芯片經(jīng)鍵合線與PCB板相連，再把PCB板固定在Al基座上，然后焊接片外元器件于PCB板上，最后將振蕩輸出信號(hào)經(jīng)SMA接插件與測(cè)量?jī)x器、儀表相連接。使用國(guó)產(chǎn)華博WS-100B電子電路實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，并用美國(guó)泰克Tektronix TDS5034B數(shù)字示波器顯示振蕩波形并測(cè)試頻率等參數(shù)。MOS器件寬長(zhǎng)比及電容電感之值如表2所示。表中(W／L)1， (W／L)2， (W／L)3， (W／L)4～6分別為M1，M2，M3，M4～M6的寬長(zhǎng)比。通過變換電容陣列及開關(guān)電感等參數(shù)，共測(cè)出6組波段：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。當(dāng)電容陣列與電感全為關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，電路獲得4.2～5.7 GHz連續(xù)可調(diào)諧的輸出信號(hào)，反之，當(dāng)電容陣列與電感全為開啟狀態(tài)時(shí)，電路獲得1.9～2.1 GHz的最低頻率輸出信號(hào)，如圖3所示。這6組波段是連續(xù)可調(diào)的，因而構(gòu)成了1.9～5.7 GHz的連續(xù)、可調(diào)的帶寬范圍。

4是所設(shè)計(jì)的VCO電路工作在2.4 GHz時(shí)的兩路差分輸出仿真實(shí)驗(yàn)波形。由圖4可見，當(dāng)電源電壓為3.3 V時(shí)，電路經(jīng)21 ns后進(jìn)入穩(wěn)定振蕩狀態(tài)，此時(shí)所設(shè)計(jì)的VCO的核電流約為1.8 mA，輸出電壓擺幅達(dá)到3.6 UP-P(UP-P為輸出電壓峰-峰值)，從圖上明顯可見，波形對(duì)稱性良好。圖5是所設(shè)計(jì)的VCO在中心頻率為2.4 GHz、偏離中心頻率1 kHz～1 MHz時(shí)獲得的仿真與實(shí)測(cè)相位噪聲(Nphase)曲線對(duì)比情況。根據(jù)曲線圖可知，在偏離中心頻率1 MHz處，所設(shè)計(jì)的VCO的仿真Nphase值為-110.35 dBc／Hz，實(shí)測(cè)Nphase值為-111.64 dBc／Hz，此實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比文獻(xiàn)[1]的-113.70 dBc／Hz降低了2.06 dBc／Hz，比文獻(xiàn)[2]的-114.00 dBc／Hz降低了2.36 dBc／Hz。表3給出了文獻(xiàn)[1-2]及所設(shè)計(jì)的VCO的仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較情況，其中fW表示帶寬；tPD表示起振時(shí)延；DP表示起振時(shí)延一功耗 PD。由表3數(shù)據(jù)易見，所設(shè)計(jì)的VCO的頻率范圍、相位噪聲都比文獻(xiàn)[1-2]有所改善，雖然實(shí)測(cè)功耗PD比文獻(xiàn)[1-2]略大3～4 mW，但起振時(shí)延比文獻(xiàn)[1-2]小了約24 ms。而綜合性能指標(biāo)——起振時(shí)延-功耗積DP卻比文獻(xiàn)[1-2]約小100 pJ，足以驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的LC VCO電路在高速、低功耗性能方面的優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論

運(yùn)用臺(tái)積電(TSMC)0.35 μm SiGe BiCMOS進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種集成多波段、低噪聲的差分BiCMOS LC VCO。所設(shè)計(jì)的VCO采用開關(guān)電容陣列和開關(guān)電感，以達(dá)到加寬頻帶的目的；另外優(yōu)選LC諧振腔負(fù)阻跨導(dǎo)，使之工作在最佳振蕩狀態(tài)；另外，文中選用高Q值的MEMS多層片上螺旋電感，有效地降低了Nphase值。對(duì)所設(shè)計(jì)的LC VCO先進(jìn)行了版圖優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化措施包括降低閂鎖效應(yīng)、抑制寄生電容等，然后做了工藝流片和硬件電路以及仿真實(shí)驗(yàn)。比較實(shí)測(cè)結(jié)果，從而說明了所設(shè)計(jì)的 LC VCO可工作在6種頻率范圍內(nèi)，從最低頻率1.9 GHz到最高頻率5.7 GHz，為連續(xù)的寬帶調(diào)諧范圍。與文獻(xiàn)[1-2]中的VCO相比，所設(shè)計(jì)的VCO拓寬了頻帶，當(dāng)中心頻率為2.4 GHz時(shí)，在偏離中心頻率1 MHz處的實(shí)測(cè)Nphase值為-111.64 dBc／Hz，比文獻(xiàn)[1-2]中的VCO有所降低；當(dāng)電源電壓為3.3 V時(shí)所設(shè)計(jì)的VCO的實(shí)測(cè)核靜態(tài)電流約為1.8 mA，而起振時(shí)延-功耗積則降為355.6 pJ，因而驗(yàn)證了設(shè)計(jì)工作的正確性。