第26卷第10期2005年10月半导体学报CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSVol.26No.10Oct.,20052004211229收到,2005206217定稿ν2005中国电子学会一种改进的CMOS差分LC压控振荡器李永峰张建辉(北京微电子技术研究所,北京100076摘要:介绍了一种改进的LC振荡器设计方法.谐振回路采用非对称电容结构,与常见的振荡器结构相比,经改进后的电路结构可以获得更好的相位噪声.基于0135μmCMOS工艺,设计了一种采用补偿Colpitts振荡器电路结构实现的差分LC压控振荡器,工作电压为215V.经仿真证明,在设计中通过调整非对称电容谐振回路中的电容值,可以获得最优的相位噪声.关键词:压控振荡器;相位噪声;互补金属氧化物半导体晶体管EEACC:1230B:TN74文献标识码:A:025324177(200510220062041引言随着深亚微米CMOS工艺的不断发展,CMOS工艺被广泛应用于射频集成电路(RFIC的设计中.由于比环形振荡器具有更好的噪声性能,且易于实现,交叉耦合LC压控振荡器(VCO在基于CMOS工艺的高频电路中,扮演着重要角色.在基于CMOS工艺的全集成、低相位噪声的LCVCO电路的设计和优化过程中存在许多障碍,例如CMOS的器件噪声、低品质因数(Q的电感、衬底效应,以及电源电压的限制等.为了设计适用于通信系统电路中的LCVCO,要求VCO具有较低的相位噪声,较小的芯片面积,同时还要把低压和低功耗等因素考虑进电路的设计中[1].为此,人们做了大量的研究工作,并提出了许多设计方法,如采用差分LC元件,以降低相位噪声和功耗[2];采用单个片上电感,以减小芯片面积[3].文献[4]提出了如何设计和优化LCVCO的方法,并详细分析了在使用高Q值或高电感值的电感时对VCO相位噪声的限制.文中指出,振荡器的振荡幅度随电感的增大而增大,但由于受电源电压的限制,当振幅达到一定值后,就不再继续增大;如果继续增大电感,VCO的相位噪声反而会随着电感的增大而增大.为了解决这个问题,文中提出,在频率一定的情况下,通过适当选择谐振回路中电感和电容的比值L/C(减小电感,增大电容,可以优化振荡器的噪声性能.但是设计电路时,在频率一定的情况下,由于不能使用高Q值电感令谐振回路Q值最大,那么也就无法获得谐振回路Q值最大时可以得到的最低相位噪声.本文介绍了一种采用非对称电容谐振回路结构设计差分LCVCO的方法.与常见的差分LCVCO相比,采用改进设计的电路可以在任意频率下,使用具有最大Q值的电感,并且能避免电源电压对振幅的限制,从而使谐振回路的Q值最大,以获得最低的相位噪声.2非对称电容谐振回路原理常见的差分LC振荡器及其对称的电容谐振回路结构如图1所示.在图1(a中,PMOS管M3,的漏端D1和D2由于受电源电压的限制,当电感值达到一定值后,振荡幅度就不会再提高了.而谐振回路的相位噪声却会随电感值的增大而增大[5].图1(b中,Rs是谐振回路的寄生电阻,主要由螺旋电感Ltank产生.由于在CMOS工艺中,可以使用高Q值的电容,谐振回路的Q值主要由电感的Q值决定.回路中的电容可以等效为分别连接到电感两端的电容值均为2Ctank的两个电容.这种结构可称第10期李永峰等:一种改进的CMOS差分LC压控振荡器图1(a差分LCVCO;(b对称电容谐振回路结构Fig.1(aDifferentialLCVCO;(bSymmetriccapac2itancetankstructure为对称电容谐振回路结构.图1(b所示结构是常见的π形结构.在这种结构中有3个自由度(两个电容,以及电感,我们可以独立指定匹配网络的Q值.重画上述的π形谐振回路,如图2(a所示.其中Qright代表由电感Ltank、电容Cleft和电阻Rs构成的串联谐振回路的Q值,Qleft代表由电感Ltank、电容Cright和电阻Rs构成的串联谐振回路的Q值.将串联谐振回路转换成等效的并联谐振回路,如图2(b所示.其中Lleft和Lright是等效电感.图2(aπ形谐振回路;(b等效并联谐振回路Fig.2(aπresonantcircuit;(bEquivalentparallelLCresonantcircuit谐振回路的频率ω0由式(1给出.ω2=LtankCtank=LtankCleft+Cright(1可将(1式转换为,ω20=LtankCleft1+Cright=ω2l1+Cright或ω20=LtankCright1+Cleft=ω2r1+Cleft(2(2式中,ωl和ωr是左右两个串联RLC回路的谐振频率.图2(b中等效电感Lleft和Lright的值由(3,(4式给出.Lright=Ltank1-n2r,nr=ωωr(3Lleft=Ltank1-n2l,nl=ωωl(4由于Q=Qleft+Qright和Ltank=Lleft+Lright,可以得到π形...