BDS導(dǎo)航接收機中寬調(diào)諧LC壓控振蕩器設(shè)計

雷思偉，黃海生，李 鑫，葉小艷

BDS導(dǎo)航接收機中寬調(diào)諧LC壓控振蕩器設(shè)計

雷思偉，黃海生，李 鑫，葉小艷

（西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，西安 710121）

針對北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS-3）導(dǎo)航接收機中壓控振蕩器不能同時兼顧寬調(diào)諧范圍與低相位噪聲等問題，采用臺積電（TSMC）0.18 μm射頻（RF）互補金屬-氧化物-半導(dǎo)體（CMOS）工藝設(shè)計了一款寬調(diào)諧低相噪的電感電容壓控振蕩器，并能夠接收BDS-3中B1、B3兩種頻段信號。設(shè)計采用了一種壓控可變電容陣列與開關(guān)電容陣列組合的結(jié)構(gòu)，達到寬調(diào)諧范圍與低相噪等特點，同時設(shè)計了一種可編程尾電流源陣列，通過數(shù)字控制信號使振蕩器的輸出擺幅更穩(wěn)定。仿真結(jié)果表明：當(dāng)電源電壓為1.8 V時，振蕩頻率低頻范圍為2.178～2.697 GHz，高頻范圍為2.85～3.3 GHz；中心頻率在2.5 GHz和3.1 GHz、頻偏為1 MHz 時的最低相位噪聲分別為-121.9 dBc/Hz及-119.5 dBc/Hz；調(diào)諧增益的變化率分別為48.93%與78.08%；功耗為3.6～3.8 mW。

壓控振蕩器；寬調(diào)諧；低相噪；電容陣列組合；可編程尾電流源陣

0 引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system, BDS）接收機需要一個穩(wěn)定的本振信號，這個本振信號由鎖相環(huán)（phase-locked loop, PLL）提供，而鎖相環(huán)中最重要的部分為壓控振蕩器（voltagecontrolled oscillator, VCO）。VCO是整體電路的“心臟”，決定整體電路性能的好壞。主流壓控振蕩器按其結(jié)構(gòu)分為環(huán)形振蕩器（ring oscillator）和電感電容壓控振蕩器（inductance capacitance voltage controlled oscillator, LC VCO）。雖然環(huán)形振蕩器的面積小，但其相位噪聲很差，工作頻率低，所以高頻下一般選擇LC VCO[1]。在LC VCO的拓撲結(jié)構(gòu)中，差分互補交叉耦合LC VCO由于其較好的相位噪聲和極高的穩(wěn)定性，在高頻電路設(shè)計中起著重要作用。與單端LC VCO相比，差分互補LC VCO具有更好的相位噪聲和較少的諧波失真，因此可制成具有高頻譜純度的穩(wěn)定頻率源[2]。差分互補LC VCO廣泛用于許多需要高靈敏度、低相位噪聲和差分操作的無線通信中。但在實際電路應(yīng)用中，寬調(diào)諧范圍與低相位噪聲不可兼得，這使得LC VCO的性能受到極大阻礙，直接影響導(dǎo)航接收機的整體性能[3]。

本文在LC VCO電路中，設(shè)計了一種電容陣列組合，通過壓控可變電容陣列與開關(guān)電容陣列的組合調(diào)控，使LC VCO在保持寬調(diào)諧范圍內(nèi)獲得一個較小的調(diào)諧增益變化率，并且在輸出較低相位噪聲的同時，通過數(shù)字控制信號調(diào)節(jié)開關(guān)電容陣列，使振蕩器可以產(chǎn)生兩種頻段的本振信號。通過調(diào)節(jié)尾電流源陣列從而控制電路中電流的大小，保證輸出擺幅的穩(wěn)定性。

1 LC壓控振蕩器設(shè)計

LC壓控振蕩器的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。LC壓控振蕩器的電感電容諧振器（LC tank）由高品質(zhì)因數(shù)的片上差分對稱螺旋電感L、壓控可變電容陣列由金屬電容C1至C4、壓控變?nèi)荻O管Cv1至Cv4組合的形式，6位數(shù)字信號S0至S5控制的開關(guān)電容陣列與金屬電容C共同組成[4]，改變控制電壓Vtune的大小進而改變頻率的大小。LC壓控振蕩器的負阻由交叉耦合N型金屬-氧化物-半導(dǎo)體（N-metal-oxide-semiconductor, NMOS）對管M0、M1與交叉耦合P型金屬-氧化物-半導(dǎo)體（P-metal-oxide-semiconductor, PMOS）對管M3、M4組成，并形成正反饋網(wǎng)絡(luò)對LC tank的損耗進行補償使得振蕩器維持振蕩，尾電流由3位數(shù)字信號B0、B1、B2控制的尾電流源M5至M12組成，其中電阻R與電容C5組成濾波器，使能控制端為EN。該設(shè)計可以實現(xiàn)在高頻和低頻兩個頻段下的線性調(diào)諧。

圖1 LC壓控振蕩器電路原理圖

1.1 負阻的設(shè)計

式中：與為NMOS對管與PMOS對管的跨導(dǎo)。這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計比單獨使用交叉耦合NMOS對管或者交叉耦合PMOS對管擁有更高的阻抗[5]，在相同的電流偏置下，LC tank更容易振蕩，同時使得輸出波形更加穩(wěn)定、對稱。

1.2 電感的選取

LC壓控振蕩器的設(shè)計目標(biāo)是實現(xiàn)最大可能的調(diào)諧頻率范圍、良好的相位噪聲、最小的電流消耗。這個設(shè)計要求高品質(zhì)因數(shù)的LC tank，其中LC tank的主要損耗在電感器上。電感器的品質(zhì)因數(shù)與損耗成反比，所以選取一個高品質(zhì)因數(shù)的電感器是十分有必要的[6]。因此，本文選取了一種片上差分對稱螺旋電感器L，它不僅具有很高的品質(zhì)因數(shù)，其品質(zhì)因數(shù)值在高頻下為13、在低頻下為11.2，而且使用片上差分對稱螺旋電感可以減少芯片的面積，同時品質(zhì)因數(shù)可以降低振蕩器的相位噪聲。

1.3 電容的設(shè)計

根據(jù)巴克豪森準(zhǔn)則，可以得到LC壓控振蕩器的頻率的表達式為

式中：為電感值；為電容值。

在設(shè)計中，希望使振蕩器擁有寬的調(diào)諧范圍與低的相位噪聲。電感因為面積太大不適宜設(shè)計成可控型的，那么就只能從電容入手，將電容設(shè)計為兩部分：壓控可變電容與開關(guān)固定電容。這樣可以對頻率表達式式（2）變?yōu)?/p>

1.3.1 壓控可變電容的設(shè)計

圖3 壓控可變電容結(jié)構(gòu)

1.3.2 開關(guān)電容陣列的設(shè)計

圖4為開關(guān)電容陣列的設(shè)計。這里的電容為金屬電容，這種電容的品質(zhì)因數(shù)往往很高，在100以上。通過將控制端S0的電壓置為高電平，S0b的電壓置為低電平使得MOS開關(guān)打開，將電容對與LC tank并聯(lián)接入，從而改變振蕩器輸出頻率的大小[8]。這樣的結(jié)構(gòu)可以對振蕩器輸出頻率進行粗調(diào)諧，并通過使用二進制編碼的方式使得振蕩器獲得更寬的調(diào)諧范圍與更低的相位噪聲。開關(guān)電容陣列通過低4位S0、S1、S2、S3，將高頻段均勻劃分成16個子頻帶，同樣高4位S1、S2、S3、S4，將低頻段均勻劃分成了16個子頻帶，S5使振蕩器在兩個頻段內(nèi)進行切換。這既保證了每個子帶相互交疊，又使得振蕩器獲得更寬的頻率調(diào)諧范圍。

圖4 開關(guān)電容陣列結(jié)構(gòu)

1.4 可編程開關(guān)尾電流源陣列設(shè)計

圖5 可編程開關(guān)尾電流源陣列結(jié)構(gòu)

2 LC壓控振蕩器仿真驗證與分析

本文基于采用臺積電（Chinese Taiwan Semi-conductor Manufacturing Company, TSMC）0.18 μm射頻（radio frequency, RF）互補金屬-氧化物-半導(dǎo)體（complementary metal–oxide–semiconductor, COMS）工藝，電源電壓為1.8 V，通過使用Cadence Virtuoso平臺下的spectre對LC壓控振蕩器進行設(shè)計仿真與功能驗證。中心頻率為2.5 GHz下的16條調(diào)諧曲線周期性穩(wěn)態(tài)（periodic stead state, PSS）仿真曲線圖如圖6所示。從圖6中可以直觀地看到，16條曲線均勻覆蓋了2.697～2.178 GHz，可調(diào)范圍為519 MHz，每一條曲線都有重疊的部分，其中重疊率為70%。中心頻率為3.1 GHz下的16條調(diào)諧曲線PSS仿真曲線圖如圖7所示。從圖7中可以直觀地看到，16條曲線均勻覆蓋了2.85～3.3GHz，可調(diào)范圍為480 MHz，每一條曲線都有重疊的部分，其中重疊率為70%。這樣的設(shè)計既滿足了寬的可調(diào)范圍，又保證了調(diào)諧的連續(xù)性。在實際應(yīng)用中受到外界環(huán)境溫度或者工藝的影響，這樣可以實現(xiàn)連續(xù)調(diào)諧。

如圖8所示，在中心頻率為2.5 GHz下的瞬態(tài)仿真，可以看到振蕩器在短時間內(nèi)迅速振蕩，其振幅在穩(wěn)定的增長。將振蕩器的輸出波形放大后，可以清楚地看到波形對稱性與完整程度良好，其振蕩的幅度在1.2 V。

圖6 中心頻率為2.5 GHz下16條調(diào)諧曲線PSS仿真

圖7 中心頻率為3.1 GHz下16條調(diào)諧曲線PSS仿真

圖8 中心頻率為2.5 GHz下的瞬態(tài)仿真

圖9為在中心頻率為3.1 GHz下的瞬態(tài)仿真，從圖9可以看到振蕩器在短時間內(nèi)迅速振蕩，其振幅在穩(wěn)定的增長。將振蕩器的輸出波形放大后，可以清楚地看到波形對稱性與完整程度良好，其振蕩的幅度在1.42 V。

圖10、圖11分別是中心頻率為2.5、3.1 GHz下的16條相位噪聲曲線——周期性噪聲（periodic noise, PNoise）仿真圖。從圖10可以看到，振蕩器在1 MHz頻偏處最低的相位噪聲為-121.9 dBc/Hz。從圖11可以看到，振蕩器在1 MHz頻偏處最低的相位噪聲為-119.5 dBc/Hz。高頻和低頻下的相位噪聲較好，振蕩器輸出頻率的純凈度較好。

圖10 中心頻率為2.5 GHz下相位噪聲仿真

圖11 中心頻率為3.1 GHz下相位噪聲仿真

圖12、圖13分別是在中心頻率為2.5、3.1 GHz下調(diào)諧增益K仿真圖。從圖12中可以看出，調(diào)諧增益K隨調(diào)諧電壓Vtune的變化范圍在60.17～ 117.83 MHz/V，其變化率為48.93%。從圖13中可以看出，調(diào)諧增益K隨調(diào)諧電壓Vtune的變化范圍在9.09～ 41.48 MHz/V，其變化率為78.08%。它們的變化范圍較小，振蕩器線性度較好。

圖12 中心頻率為2.5 GHz下調(diào)諧增益Kv仿真

圖13 中心頻率為3.1 GHz下調(diào)諧增益Kv仿真

表1將本文設(shè)計的LC壓控振蕩器與近年來使用相同工藝的和頻段范圍設(shè)計的LC壓控振蕩器做了比較。從表1中可以看出，本文設(shè)計在調(diào)諧范圍、調(diào)諧增益、功耗與相位噪聲等方面有一定的優(yōu)勢與應(yīng)用前景。

表1 本文設(shè)計與其他文獻設(shè)計LC-VCO的性能對比

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了一個應(yīng)用于導(dǎo)航接收機中寬調(diào)諧范圍低相位噪聲的LC壓控振蕩器電路，并能夠接收北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中B1、B3兩種頻段信號。該振蕩器采用了壓控可變電容設(shè)計，對振蕩頻率進行細調(diào)諧；開關(guān)電容陣列技術(shù)，有效地拓寬了振蕩器調(diào)諧范圍、減小了調(diào)諧增益變化，并達到低相位噪聲的要求；可編程開關(guān)尾電流源陣列的設(shè)計，保證了振蕩器輸出波形的擺幅變化不大。測試結(jié)果表明，當(dāng)電源電壓為1.8 V時，頻率覆蓋范圍為低頻下2.178～2.697 GHz，高頻下2.85～3.3 GHz；中心頻率在2.5 GHz和3.1GHz、頻偏為1 MHz時的最低相位噪聲分別為-121.9 dBc/Hz及 -119.5 dBc/Hz；調(diào)諧增益的變化率分別為48.93%與78.08%；功耗為3.6～3.8 mW。

[1] 唐長文. 電感電容壓控振蕩器[D]. 上海: 復(fù)旦大學(xué), 2004.

[2] 許亞蘭, 江金光, 劉俐. 一種用于GPS波段的低相噪VCO設(shè)計[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2012, 38(2): 47-49.

[3] 張大鶴, 李青平. 一種超低相位噪聲寬帶頻率合成器的設(shè)計[J]. 無線電工程, 2016, 46(2): 58-60.

[4] 謝海明. 低相位噪聲CMOS集成壓控振蕩器的設(shè)計[D]. 長沙: 湖南大學(xué), 2015.

[5] ZOU W, REN D M, ZOU X C. A 0.20-2.43 GHz fractional-N frequency synthesizer with optimized VCO and reduced current mismatch CP[J]. Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering, 2021, 22: 251-261.

[6] 梁爽, 趙偉光, 王峻. 電感及電容結(jié)構(gòu)的壓控振蕩器電路設(shè)計與仿真[J]. 西安科技大學(xué)學(xué)報, 2013, 33(4): 450-454.

[7] 張剛. CMOS集成鎖相環(huán)電路設(shè)計[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2013.

[8] 呂志強, 陳嵐. 一種帶有開關(guān)電流源的低相噪壓控振蕩器[J]. 太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報, 2014, 12(3): 466-470.

[9] 奉榮, 姜丹丹. 基于諧振開關(guān)技術(shù)的低相噪LC VCO的設(shè)計[J]. 成都信息工程大學(xué)學(xué)報, 2020, 35(5): 509-513.

[10] 楊雪. 適用于2.4 GHz鎖相環(huán)LC壓控振蕩器設(shè)計[J]. 數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用, 2013(11): 139-140.

[11] 歐陽宏志. 高性能集成電感電容壓控振蕩器設(shè)計[D]. 長沙: 湖南大學(xué), 2007.

[12] 李天望, 曾曉軍, 洪志良. 1 V 2.5 GHz壓控振蕩器設(shè)計[J]. 半導(dǎo)體學(xué)報, 2003, 24 (1): 80-84.

[13] 劉亞能. 基于0.18 μm CMOS工藝的正交壓控振蕩器研究[D]. 長沙: 湖南師范大學(xué), 2016.

Design of wide tuning LC VCO in BDS navigation receiver

LEI Siwei, HUANG Haisheng, LI Xin, YE Xiaoyan

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

In order to solve the problem that the Voltage Controlled Oscillator (VCO) of BeiDou-3 navigation satellite System (BDS-3) navigation receiver can not take into account the wide tuning range and low phase noise at the same time, a inductance capacitance (LC) VCO with wide tuning and low phase noise is designed using Chinese Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) 0.18 μm Radio Frequency (RF) Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) technology, and can receive the signals of B1 and B3 frequency bands in BDS-3. In this paper, a structure of voltage controlled variable capacitor array and switched capacitor array was proposed to achieve the characteristics of wide tuning range and low phase noise. At the same time, a programmable tail current source array was designed to stabilize the output swing of the oscillator by digital control signal. The test results showed that: when the power supply was 1.8 V, the oscillation frequency was 2.178-2.697 GHz at low frequency and 2.85-3.3 GHz at high frequency; the phase noise of center frequency at 2.5 GHz and 3.1 GHz was -121.9 dBc/Hz at 1 MHz and -119.5 dBc/Hz at1 MHz.The change rate of tuning gain was 48.93% and 78.08%, and the power consumption was 3.6-3.8 mW.

voltage controlled oscillator; wide tuning; low phase noise; capacitor array combination; programmable tail current source array

P228

A

2095-4999(2021)06-0024-05

雷思偉，黃海生，李鑫，等. BDS導(dǎo)航接收機中寬調(diào)諧LC壓控振蕩器設(shè)計[J]. 導(dǎo)航定位學(xué)報, 2021, 9(6): 24-28.（LEI Siwei，HUANG Haisheng，LI Xin, et al. Design of wide tuning LC VCO in BDS navigation receiver[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2021, 9(6): 24-28.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20210604.

2021-03-10

國家自然科學(xué)基金——地區(qū)科學(xué)基金項目（61661049）。

雷思偉（1995—），男，陜西西安人，碩士研究生，研究方向為模擬集成電路設(shè)計。

黃海生（1964—），男，陜西榆林人，碩士，教授，研究方向為專用集成電路設(shè)計與系統(tǒng)研究。