應用于DAB系統(tǒng)Ⅲ波段的LC壓控振蕩器設計研究

摘 ?要：在通信領域中，頻率合成器扮演著越來越重要的角色，它可以為不同標準的無線收發(fā)機提供可編程低噪聲的穩(wěn)定本振信號，其性能可決定整個無線收發(fā)系統(tǒng)的性能，而在頻率合成器中，又以VCO的設計為重中之重。本文即是對應用于數字音頻廣播接收機系統(tǒng)Ⅲ波段的電感電容壓控振蕩器設計的研究。本文設計了一種應用于Ⅲ波段的正交差分輸出壓控振蕩器。電路后仿真結果顯示，核心電路電流為5.2mA，在調諧電壓范圍為0.3～1.5V條件下，輸出振蕩頻率范圍可達到323.2～514.2MHz，完全覆蓋Ⅲ波段所需要的頻率范圍;同時，最差條件下的相位噪聲為-121dBc/Hz@1MHz，滿足設計指標。

關鍵詞：數字音頻廣播;電感電容壓控振蕩器;頻率合成器;電路設計

中圖分類號：TN752 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）14-0036-03

Design and Research of LCVCO Used in Ⅲ Band of

Digital Audio Broadcasting System

XUAN Jiahui

（Jiangsu Institute of Automation，Lianyungang ?222006，China）

Abstract：In the field of communications，frequency synthesizers play an increasingly important role in providing programmable low-noise，stable local oscillator signals for different standard wireless transceivers，the performance of which determines the performance of the entire wireless transceiver system. In the frequency synthesizer，the design of the VCO is the most important. This paper is the study of the design of the inductor-capacitor voltage-controlled oscillator for the Ⅲ band of the digital audio broadcasting receiver system.In the LCVCO design module，a voltage-controlled oscillator with quadrature differential outputs used in band Ⅲ is designed. The simulation results show that the core circuit current is 5.2 mA，the output frequency range is from 323.2 MHz to 514.2 MHz，in the tuning voltage range of 0.3～1.5V，completely covering the required band Ⅲ frequency range. At the same time，the phase noise in the worst case is -121dBc/Hz@1MHz offset，which meets the design specifications.

Keywords：digital audio broadcasting;LCVCO;frequency synthesizer;circuit design

1 ?數字音頻廣播（DAB）接收機介紹

數字廣播技術的迅速發(fā)展，為提高廣播通信質量提供了一種全新的思路。數字音頻廣播（DAB）被用來取代模擬廣播FM，我國已將歐洲的尤里卡（Eureka）147-DAB制式作為數字調幅廣播的標準。DAB接收機的工作頻段非常寬廣，可覆蓋從長波（148.5kHz）到L波段（1492MHz）整個頻率。數字廣播接收模塊中，本振的精度和穩(wěn)定性起到決定數字廣播接收機性能的關鍵作用。本文正是對Ⅲ波段DAB接收機壓控振蕩器設計的研究[1-5]。

2 ?壓控振蕩器（VCO）在DAB接收機中的作用

無線數字通信中射頻接收終端采用的結構多種多樣，但頻率合成器作為混頻器中本振的產生源，在射頻收發(fā)機中是不可或缺的一部分。在頻率合成器中，又以CMOS全集成壓控振蕩器（VCO）的設計為重中之重。

VCO主要有環(huán)形振蕩器和LC振蕩器兩種。數字廣播接收機要求振蕩器的輸出頻率較低，同時對相位噪聲和功耗的要求都較高（即低相位噪聲和低功耗），環(huán)形振蕩器很難實現，因此眾多數字廣播接收機的VCO設計均采用LC壓控振蕩器。LCVCO的設計近年來是射頻系統(tǒng)頻率合成器中的一個研究熱點。本文即以LCVCO為研究要點展開設計。

3 ?應用于DAB收發(fā)機中的LCVCO的電路設計

3.1 ?壓控振蕩器的數學模型

VCO是一種電壓-頻率轉換裝置。在相位噪聲和鎖相環(huán)的研究中，需要一個VCO的數學模型。可以把一個理想的VCO定義為一個可以產生周期輸出信號的電路，如式（1）所示。

3.3 ?LC壓控振蕩器的電路設計

本LCVCO基于CMOS工藝設計，基于這種工藝的LCVCO大都采用差分結構，原因是集成電路中的襯底和電源中會引入大量共模噪聲，這些共模噪聲會對電路造成較大的危害，差分結構可以抑制這些共模噪聲。

3.3.1 ?基于CMOS工藝的LCVCO拓撲結構

為了抑制和消除偶次諧波上的噪聲，在本設計中的MOS晶體管的S極和交流地與電源之間分別插入了一個二次諧波的高阻通路，本篇設計中所采用的LCVCO電路結構如圖2所示。其中L1、C1和L2、C2組成兩個諧振在2ω0的噪聲濾波網絡。

為了控制芯片面積和功耗，在本設計中的輸出部分采用源極耦合邏輯觸發(fā)器所構成的4分頻器作為信號產生端。

3.3.2 ?器件選擇與優(yōu)化

3.3.2.1 ?電感的選擇

考慮電路設計的難易和周期，本設計工作直接采用工藝庫中提供的電感。SMIC工藝庫提供了兩種類型的八邊形平面螺旋電感模型：Spiral Inductor和Differential Inductor，其幾何尺寸參數分別如表2、表3所示[2]。

3.3.2.2 ?變容管的選擇

SMIC 0.18μm Mixed Signal CMOS工藝中提供了兩種變容管模型：PN結變容二極管和積累型MOS（accumulation-mode，A-MOS）變容管。對可變電容的研究表明，MOS管電容在線性度方面比二極管變容管好[2]。因此，本設計選用MOS管電容，具體參數通過仿真確定。

4 ?LCVCO版圖設計以及仿真

本VCO設計采用Cadence Spectre仿真器進行模擬仿真與優(yōu)化設計。

4.1 ?VCO版圖設計

需要特別注意的是由于本結構是采用的差分對形式，對版圖的對稱性要求極高，所以在設計版圖時需要尤其注意版圖的對稱性設計。由于寄生電容會影響到VCO的輸出振蕩頻率，所以在設計VCO版圖時更需要注意走線的寄生電容效應。圖3是本次設計的LCVCO的版圖結構。

4.2 ?VCO仿真結果

本設計中是采用在Cadence軟件環(huán)境下的Assura工具進行DRC和LVS檢查。檢查通過后，使用Assura工具對版圖進行寄生參數的提取，然后進行后仿真，并根據后仿真結果優(yōu)化原理圖中的參數設計和版圖設計。由于篇幅限制，在這里只給出后仿真過程以及結果。

在Cadence軟件平臺上搭起LCVCO的Testbench進行仿真。主要進行瞬態(tài)仿真、輸出頻率調諧范圍仿真和相位噪聲性能的仿真。給出后仿真與設計指標的比較如表4所示。

5 ?結 ?論

本文章首先介紹了數字音頻廣播和壓控振蕩器在DAB接收機中的作用，并給出了分析振蕩器的數學模型。然后根據本次設計的要求，介紹了應用于DAB的LCVCO的常用結構，并選擇了合適的電路拓撲結構，然后按照電路設計、版圖設計、后仿真及版圖優(yōu)化的順序給出了壓控振蕩器的設計過程。雖然由于流片計劃原因，本次VCO設計未能付諸流片，但后仿真結果顯示設計結果滿足預期設計要求。

參考文獻：

[1] 舒啟輝.走近數字音頻廣播技術 [J].廣播與電視技術，2005（11）：7-9+5.

[2] 周建政.DRM/DAB接收機射頻前端芯片設計中的關鍵技術研究 [D].江蘇：東南大學，2009.

[3] [日]遠坂俊昭.鎖相環(huán)（PLL）電路設計與應用 [M].何希才譯.北京：科學出版社，2006.

[4] Jiahui X，Zhigong W，Lu T，et al. A 3-GHz dual-modulus prescaler based on improved master-slave DFF [C]// IEEE International Conference on Communication Technology. IEEE，2011：21-24.

[5] 周學智，玄甲輝.數字音頻廣播接收機中頻率合成器的系統(tǒng)級設計 [J].計算機光盤軟件與應用，2013，16（11）：221-223.

作者簡介：玄甲輝（1987-），男，漢族，山東泰安人，工程師，碩士研究生，研究方向：智能裝備系統(tǒng)與電子信息系統(tǒng)。