應用于無線局域網的低壓低功耗2.5GHz VCO設計

摘要：采用交叉耦合結構，利用TSMC90nm 1P9M 1．2V RFCMOS工藝設計的全集成LC壓控振蕩器(VCO)，符合IEEE 802．1lb／g WLAN通信標準。調諧電壓為0～1．2V，具有150MHz的調諧范圍(2．44GHz～2．59GHz)。利用Mentor Graphics Eldo對該電路進行仿真，仿真結果顯示，在2．5GHz工作頻率處，相位噪聲約為-122．3dBc／Hz@1MHz，功耗僅為1．9mW。
關鍵詞：壓控振蕩器；無線局域網；低壓；低功耗；低相位噪聲

0 引言
隨著便攜式無線設備市場的迅速擴張，降低系統功耗成為射頻集成電路設計的重要方向。降低電源電壓作為減小電路功耗的一種常規方法，效果十分明顯，但設計時必須面對輸出擺幅下降、信噪比惡化，以及系統對PVT(Process,Voltage，Temperature)因素更加敏感等諸多問題。
壓控振蕩器(VCO)作為頻率合成器的關鍵模塊，其穩定性和頻譜純度對通信收發系統的性能至關重要。如何在輸出擺幅、相位噪聲、調諧范圍、偏置電流和功耗之間取得較好的折衷是VCO設計的最大難點。本文在總結LC VCO一般性設計方法和理論的基礎上，設計了一個適用于IEEE 802．11b／g WLAN(無線局域網)通信標準的VCO。為降低功耗，該VCO采用TSMC 90nm 1．2V低電源電壓工藝，仿真結果顯示，在2．5GHz中心頻率處，功耗僅為1．9mW，相位噪聲約為-122．3dBc／Hz＠1MHz，相比其它文獻的同中心頻率VCO設計，功耗更低，同時具有較低的相位噪聲。

1 LC VCO的基本工作原理
交叉耦合型LC VCO利用有源器件-g，不斷補充LC諧振同路寄生電阻g所消耗的能量，以維持振蕩。有源器件一般可用MOS對管構成的負阻實現，為確保振蕩，需滿足條件

其中，αg為增益裕度系數，典型值取2～3。gtank為LC諧振回路等效導納，gactive為負阻導納，且有

交叉耦合MOS管跨導可表示為

相對單NMOS或PMOS交叉結構VCO而言，互補交叉結構VCO的輸出波形更對稱，噪聲特性更好。因此本文選擇互補交叉結構的VCO，電路拓撲結構如圖1所示。根據LC振蕩器基本理論，該VCO的輸出頻率為

其中，Ctotal為VCO的總電容值，包括固定電容Cfix、可變電容Cv，以及寄生電容Cp(電感L、交叉耦合MOS管和后級電路的寄生電容)，調諧電壓Vtune控制Cv，使VCO輸出頻率廠f0隨Vtune的變化而變化。