GPS/BD接收機(jī)中電感電容壓控振蕩器設(shè)計(jì)

陳順舟,黃海生,李　鑫,景哏評,王　帥

(西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院,陜西 西安 710121)

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GPS/BD接收機(jī)中電感電容壓控振蕩器設(shè)計(jì)

陳順舟,黃海生,李鑫,景哏評,王帥

(西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院,陜西 西安 710121)

摘要：采用TSMC 0.18 μm CMOS工藝，設(shè)計(jì)了一款寬調(diào)諧、低相位噪聲、低功耗的電感電容壓控振蕩器(voltage controlled oscillar,VCO)，用于接收北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的B1，B2頻段信號(hào)和全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)的L1頻段信號(hào)的射頻接收機(jī)中。振蕩器中采用了開關(guān)固定電容陣列和開關(guān)MOS管可變電容陣列，有效地解決了寬頻率調(diào)諧范圍和低相位噪聲之間不可兼顧的問題，另外，采用了可變尾電流源的結(jié)構(gòu)，使得振蕩器在整個(gè)可調(diào)頻率范圍內(nèi)輸出電壓的幅度變化不大。利用Cadence軟件中Spectre對電路進(jìn)行仿真。結(jié)果表明，振蕩器頻率調(diào)諧在2.958—3.418 GHz和2.318—2.552 GHz 這2個(gè)頻段內(nèi)，在1.8 V的供電電源電壓下，功耗僅為3.06—3.78 mW。當(dāng)振蕩器工作在3.2 GHz和2.4 GHz的中心頻率時(shí)，其在1 MHz頻偏處的單邊相位噪聲分別為-118 dBc/Hz和-121 dBc/Hz。

關(guān)鍵詞：電感電容壓控振蕩器；開關(guān)固定電容陣列；開關(guān)MOS管可變電容陣列；相位噪聲

0引言

隨著無線通信系統(tǒng)和寬帶收發(fā)機(jī)的迅猛發(fā)展，使得射頻前端芯片的設(shè)計(jì)向著小型化、低成本、低功耗和高性能等方向發(fā)展。在如今的各種通信系統(tǒng)中，對頻率綜合器相位噪聲和調(diào)諧范圍的要求越來越高，人們希望設(shè)計(jì)的頻率綜合器能接收各種不同頻段的信號(hào)[1]。目前，實(shí)際中比較流行的壓控振蕩器按其電路結(jié)構(gòu)分為環(huán)形振蕩器和LC 振蕩器[2]。環(huán)形振蕩器易于集成，占用面積小，可調(diào)頻率范圍大，雖然環(huán)形振蕩器也能夠工作到1—2 GHz，但是由于其相位噪聲比較差，且受電源和地的噪聲影響很明顯[3]，所以，在設(shè)計(jì)1 GHz以上的振蕩器時(shí)我們都很少考慮環(huán)形振蕩器。LC振蕩器雖然要求高品質(zhì)的無源器件，需要片上電感和變?nèi)莨芷骷拍茌^好地實(shí)現(xiàn)集成[4]，但是因其良好的相位噪聲性能，在基于鎖相環(huán)路的頻率綜合器中，一般采用LC振蕩器[5]。在實(shí)際的電感電容壓控振蕩器中，調(diào)諧增益太大和相位噪聲太差成為瓶頸，本文設(shè)計(jì)的振蕩器結(jié)構(gòu)能很好地解決這2個(gè)問題，并且可以接收2個(gè)頻段內(nèi)的信號(hào)。

1電路設(shè)計(jì)

1.1VCO電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文中設(shè)計(jì)的VCO電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，由交叉耦合的N型金屬-氧化物-半導(dǎo)體(N-metal-oxide-semiconductor,NMOS)對管Mn1，Mn2和PMOS對管Mp1，Mp2來實(shí)現(xiàn)負(fù)阻元件，可變偏置電流源提供的電流可以在NMOS對管和P型金屬-氧化物-半導(dǎo)體(P-metal-oxide-semiconductor,PMOS)對管之間復(fù)用，降低了電路的功耗。在諧振回路中，使用了差分對稱電感并聯(lián)在差分輸出的兩端，這樣有利于減少芯片面積，另外，差分對稱電感相對來說有具有更高的品質(zhì)因數(shù)Q。這種互補(bǔ)NMOS和PMOS諧振回路結(jié)構(gòu)比單NMOS和單PMOS結(jié)構(gòu)具有更好的相位噪聲性能，這是因?yàn)楫?dāng)把它們的跨導(dǎo)設(shè)計(jì)為相同時(shí)，由VCO輸出的振蕩波形的上升波形和下降波形是完全對稱的[6]。采用三位數(shù)字控制信號(hào)對尾電流源進(jìn)行控制，這樣就使得振蕩器可以在整個(gè)可調(diào)頻率范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出電壓的幅度變化，從而保持振蕩器的輸出電壓幅度在整個(gè)調(diào)諧范圍內(nèi)保持基本不變，有利于控制電路功耗。采用六位數(shù)字信號(hào)控制開關(guān)電容陣列，其中，四位控制開關(guān)固定電容陣列用來進(jìn)行粗調(diào)，將整個(gè)頻率范圍劃分為16個(gè)子頻帶，開關(guān)固定電容陣列采用了二進(jìn)制權(quán)重的編碼方式。另外兩位用來進(jìn)行全局調(diào)諧，控制開關(guān)可變電容陣列開關(guān)的通斷，通過調(diào)節(jié)這兩位數(shù)字信號(hào)，振蕩器可以調(diào)諧在2個(gè)頻段內(nèi)，另外，調(diào)諧電壓與偏置電壓共同調(diào)節(jié)反型MOS管可變電容大小，使得調(diào)諧增益在每個(gè)子頻帶內(nèi)變化不大。

圖1　壓控振蕩器電路結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1　Voltage controlled oscillator circuit structure

1.2開關(guān)電容陣列設(shè)計(jì)

對于一個(gè)LC結(jié)構(gòu)的振蕩器，其振蕩頻率一般可以表示為[7]

(1)

(1)式中，C表示整個(gè)回路的總電容，它包括開關(guān)固定電容和開關(guān)可變電容。開關(guān)電容陣列設(shè)計(jì)包括開關(guān)固定電容陣列和開關(guān)可變電容陣列設(shè)計(jì)2個(gè)部分。因MIMCAP的Q值很高，將其并聯(lián)在開關(guān)可變電容陣列的兩端可以降低調(diào)諧增益，所以，我們選擇MIMCAP來構(gòu)成開關(guān)電容陣列，由其組成的開關(guān)固定電容電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，開關(guān)固定陣容陣列采用二進(jìn)制形式編碼，這種差分開關(guān)電容結(jié)構(gòu)能同時(shí)獲得較高Q值和較寬頻率調(diào)諧范圍。正如前面所說的，共有六位數(shù)字信號(hào)B0，B1，B2，B3，B4，B5控制開關(guān)固定電容陣列，這里，采用NMOS管作為開關(guān)。通過B0，B1，B2，B3這四位把整個(gè)頻率調(diào)諧范圍分成16個(gè)子頻帶，另外兩位數(shù)字信號(hào)B4，B5是用來使振蕩器能夠在2個(gè)頻段內(nèi)調(diào)諧的。

圖2　開關(guān)固定電容陣列結(jié)構(gòu)Fig.2　Switch fixed capacitor array

對于開關(guān)可變電容陣列，因MOS管可變電容擁有很高的Q值，所以，這里采用了反型MOS管作為可變電容。由其組成的開關(guān)可變電容陣列電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，開關(guān)T_SW是一個(gè)傳輸門開關(guān)，B4控制其閉合與斷開。在本次設(shè)計(jì)中，采用了2個(gè)這樣的結(jié)構(gòu)，并且另外一個(gè)開關(guān)可變電容陣列用B5進(jìn)行控制。由于源漏端的寄生電容比柵端大，所以，在應(yīng)用MOS管可變電容時(shí)將柵端接振蕩器輸出端，源漏端接調(diào)諧電壓端[8]。通過改變MOS管可變電容兩端的電壓就能改變可變電容大小，進(jìn)而改變振蕩器的諧振頻率。

圖3　開關(guān)可變電容陣列結(jié)構(gòu)Fig.3　Switch MOS tube varactor capacitor array

1.3可變尾電流源電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

可變尾電流源的電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。由于開關(guān)MOS管導(dǎo)通電阻的存在，當(dāng)開關(guān)電容陣列的電容接入諧振回路時(shí)，會(huì)降低諧振回路的Q值，振蕩信號(hào)幅度和相位噪聲也會(huì)變差，為了保證振蕩信號(hào)的幅度在整個(gè)頻率范圍內(nèi)保持基本不變，諧振回路中有

(2)

(2)式中：Etank為存儲(chǔ)在諧振回路中的能量；Vpeak為諧振回路等效電容兩端的電壓峰值，即為輸出電壓的幅值；Ipeak為流過諧振回路電感的電流峰值。由(1)式和(2)式可以得到

(3)

根據(jù)(3)式可知，在輸出頻率改變的同時(shí)讓功耗(Etank)隨之改變可以讓振蕩器輸出幅度保持不變[9-10]。開關(guān)電流陣列就是用來調(diào)節(jié)振蕩器在各個(gè)諧振頻率時(shí)的尾電流大小的，EN(enable)為使能信號(hào)，本文采用的開關(guān)電流陣列采用三位數(shù)字信號(hào)b0,b1,b2來控制尾電流的大小，在振蕩頻率低的時(shí)候，適當(dāng)增加振蕩器的尾電流，在振蕩頻率高的時(shí)候，適當(dāng)降低振蕩器的尾電流，從而使振蕩器的輸出幅度在整個(gè)頻帶內(nèi)保持基本不變。

圖4　可變尾電流源電路結(jié)構(gòu)Fig.4　Variable tail current source

2仿真結(jié)果與分析

文中設(shè)計(jì)的LC壓控振蕩器采用TSMC 0.18 μm CMOS工藝，使用Cadence中的spectre對其進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真得到振蕩器的頻率-電壓曲線如圖5所示，圖5中的16根子頻帶分別覆蓋了2.958—3.418 GHz頻段和2.318—2.552 GHz頻段，可調(diào)范圍分別為18.8%和12.5%，實(shí)現(xiàn)了雙模和較寬的調(diào)諧范圍。

仿真得到振蕩器的調(diào)諧增益和電壓的曲線如圖6所示，高頻段在3.2 GHz中心頻率處的調(diào)諧增益隨著調(diào)諧電壓的變化在65—100 MHz/V變化，低頻段在2.4 GHz中心頻率處的調(diào)諧增益隨著調(diào)諧電壓的變化在36—57 MHz/V變化，它們相對較小且變化不大。

相位噪聲是壓控振蕩器中一個(gè)重要的性能指標(biāo),振蕩器仿真得到的相位噪聲曲線如圖7所示，從圖7中可以看出，當(dāng)振蕩器振蕩在高頻段中心頻率3.2 GHz時(shí)，在1 MHz頻偏處的單邊相位噪聲為-118 dBc/Hz，當(dāng)振蕩器振蕩在低頻段中心頻率2.4 GHz時(shí)，其在1 MHz頻偏處單邊的相位噪聲為-121 dBc/Hz。并且，隨著調(diào)諧電壓的改變，相位噪聲的變化并不大。

a 頻率-電壓曲線圖(高頻段)

b 頻率-電壓曲線圖(低頻段)圖5　頻率-電壓曲線圖Fig.5　Frequency-voltage curve

a 調(diào)諧增益曲線圖(高頻段)

b 調(diào)諧增益曲線圖(低頻段)圖6　調(diào)諧增益曲線圖Fig.6　Tuning gain curve

a 相位噪聲曲線圖(高頻段)

b 相位噪聲曲線圖(低頻段)圖7　相位噪聲曲線圖Fig.7　Phase noise curve

近年來，一些LC-VCO設(shè)計(jì)采用各種各樣的方法來提高性能，表1將本設(shè)計(jì)的LC-VCO和這些振蕩器設(shè)計(jì)做了比較。從表1可以看出，本設(shè)計(jì)在頻率范圍、調(diào)諧增益變化幅度、相位噪聲和功耗等方面具有一定的優(yōu)勢。

表1　本設(shè)計(jì)VCO的性能比較

3總結(jié)

設(shè)計(jì)了一款用于北斗B1，B2頻段和GPS L1頻段雙模寬帶電感電容壓控振蕩器。振蕩器采用了開關(guān)固定電容陣列、開關(guān)可變電容陣列和可變尾電流源技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在寬頻率范圍內(nèi)的調(diào)諧。試驗(yàn)結(jié)果表明，工作在2.958—3.418 GHz頻段和2.318—2.552 GHz頻段的中心頻率3.2 GHz和2.4 GHz處，1 MHz頻偏處的相位噪聲分別為-118 dBc/Hz,-121 dBc/Hz，調(diào)諧增益在頻帶內(nèi)較小且變化不大，在1.8 V的電源電壓下，功耗僅為3.06—3.78 mW。

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Design of LC voltage control oscillator for GPS/BD receiver

CHEN Shunzhou, HUANG Haisheng, LI Xin, JING Genping, WANG Shuai

(School of Electronic Engineering,Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, P.R. China)

Abstract:In this paper, a wide frequency tuning range, low phase noise, low power consumption LC voltage-controlled oscillator(LC-VCO) is proposed in TSMC 0.18 μm CMOS process, it can be used in radio frequency(RF) receiver which can receive B1, B2 frequency band signal from BD satellite navigation system and L1 frequency band signal from GPS. In this LC-VCO circuit, the switch fixed capacitor array and switch MOS tube varactor capacitor array are used, effectively solving the problem of the balance between the wide frequency tuning range and low phase noise. In addition, the technique of variable bias current source is used to make the output signal amplitude of the oscillator only change a little in the whole frequency tuning range. The circuit is simulated by the Spectre in Cadence which indicates that the output frequency range is 2.958 GHz—3.418 GHz and 2.318 GHz—2.552 GHz, and the power consumption is only 3.06—3.78 mW in 1.8 V power supply voltage. The phase noise is -118 dBc/Hz at 1 MHz offset from the center frequency 3.2 GHz and -121 dBc/Hz at 1 MHz offset from the center frequency 2.4 GHz.

Keywords：LC-VCO; switch fixed capacitor array; switch MOS tube varactor capacitor array; phase noise

DOI：10.3979/j.issn.1673-825X.2016.03.009

收稿日期：2015-03-30

修訂日期：2016-03-09通訊作者：陳順舟928506156@qq.com

基金項(xiàng)目：陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃戰(zhàn)略基金(2012KTCQ01-06)；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重大產(chǎn)品(群)項(xiàng)目“北斗授時(shí)型接收機(jī)芯片組及產(chǎn)業(yè)化”(2014KTCQ01-21)；陜西省教育廳服務(wù)地方專項(xiàng)(2013JC10)；國家科技重大專項(xiàng)新一代無線通信移動(dòng)網(wǎng)“TD-LTE多頻射頻商用芯片研發(fā)”(2013ZX03001010-003)；GNSS射頻芯片中頻率綜合器設(shè)計(jì)(101-0490)

Foundation Items：The Innovation of Science and Technology Project Plan Strategy Fundation of Shanxi Province(2012KTCQ01-06)；The Innovation of Science and Technology New Industries Major Products Project Plan Strategy of Shanxi Province “Beidou Timing Receiver Chipset and Industrialization”(2014KTCQ01-21);The Special Service Local Project of Shanxi Province Department of Education(2013JC10)；The National Science and Technology Major Projects of a New Generation of Broadband Wireless Mobile Communication Network “TD-LTE Multifrequency RF Chip Research and Development for Commercial Use” (2013ZX03001010-003)；The Design of Frequency Synthesizers in RF Chip (101-0490)

中圖分類號(hào)：TN752

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-825X(2016)03-0337-05

作者簡介：

陳順舟(1991-)，男，湖南永州人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樯漕l模擬集成電路設(shè)計(jì)。E-mail:928506156@qq.com。

黃海生(1964-)，男，陜西西安人，教授，主要研究方向?yàn)閷Ｓ眉呻娐放c系統(tǒng)設(shè)計(jì)。E-mail:hhs@xupt.edu.cn。

李鑫(1986-)，男，陜西寶雞人，助教，主要研究方向?yàn)閷Ｓ眉呻娐放c系統(tǒng)設(shè)計(jì)。E-mail:lixin@xupt.edu.cn。

景哏評(1988-)，男，甘肅慶陽人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娐放c系統(tǒng)。E-mail:1099989815@qq.com。

(編輯：劉勇)