應用于無線局域網的低壓低功耗2.5GHz VCO設計

2 電路設計
2．1 片上電感L的選取
相位噪聲與Q值平方成反比關系，LC諧振回路的Q值越高，VCO相位噪聲越小。片上電容的品質因數比片上電感大很多，因而LC諧振回路的品質因數主要取決于片上電感。由于片上電感和硅襯底之間存在耦合電容，能量將被耦合至襯底中，導致能量損耗，因此極大降低了片上電感的品質因數Q值。片上電感Q值可通過測量電感的Y參數獲得：

TSMC 90nm 1P9M 1．2V RFCMOS工藝的片上電感為銅金屬八邊形平面螺旋電感，制作在P型襯底上。為降低電感與襯底間的氧化層電容，減小高頻損耗，通常使用工藝中最厚的頂層金屬制作電感。TSMC 90nm 1P9M 1．2VRFCMOS庫中的片上電感采用Ultra Thick Metal工藝，位于頂層金屬M9層，共分三種類型：標準型(STD)電感、對稱型電感(SYM)和帶中心抽頭的對稱型電感(SYMCT)，可調節的參數包括電感金屬線寬度w、電感金屬線圈數nr和電感內直徑rad。為獲得更高的品質因數，應取最大的金屬線寬w，以減小寄生電阻。對不同規格的電感進行S參數的掃描仿真，經計算比較后，最終采用尺寸為w=15 μm，nr=3，=90 μm，感值L=1．43nH的SYM電感，在振蕩頻率2．5GHz處，其Q值約為14．9。
2．2 負阻RFMOS管的選取
RFPMOS和RFNMOS對管構成負阻單元，提供維持振蕩所必須的能量。由式(1)～(3)可知，W／L必須足夠大以確保起振。當gmp=gmn時，輸出波形具有最好的對稱性，可有效抑制1／f噪聲的上變頻。由于電子的遷移率是空穴的2～3倍，故RFPMOS管和RFNMOS管的W／L比應在2～3之間。為降低振蕩器功耗，并減小MOS管的寄生電容，RFNMOS管應取工藝允許的最小尺寸，即nr×l×w=11×0．1μm×1μm。仿真結果表明，RFPMOS管尺寸取RFNMOS管的3倍時，輸出波形具有最好的對稱性。
2．3 固定電容Cfix和可變電容Cv的選取
選取庫中參數為ff=32．8gm，wt=20μm 容值Cfix=1．046pF的MIM固定電容。考慮到工藝誤差和外界溫度的影響，VCO頻率調諧范圍應留有一定裕度。經比較后采用庫中參數為br=8，gr=7的1．2VN阱RFMOS變容管。仿真顯示，VCO的工作頻率在2．44～2．59GHz范圍內變化，完全覆蓋IEEE 802．b／g通信標準的頻率范圍。
2．4 偏置電流Ibias
l／f噪聲的上變頻噪聲對尾電流源影響最為顯著，由于PMOS管比NMOS具有更低的l／f噪聲，因此本設計采用PMOS尾電流源，PMOS管參數設置為fingers×l×w=5×1μm×100μm。
電流限制區的Itail與相位噪聲關系如下

故Itail越大，相位噪聲越低。但Itail增大到一定程度后將進入電壓限制區，輸出擺幅被鉗制在Vlimit，對相位噪聲的改善將沒有任何意義。因此，Itail存在一個對應最小相位噪聲的優化值，位于電流限制區與電壓限制區臨界處。在對功耗和相位噪聲進行折衷考慮后，電流源Ibias值定為1．8mA。
2．5 噪聲濾除
為進一步濾除VCO輸出中的高次諧波，在RFPMOS負阻管與地端之間接對稱型電感Lf，其參數取值為w=3，nr=6，rad=90。