作者：李奎利，文光俊，蔡競業，王永平，曾隆月

1 引言

雖然近年來通信技術得到了前所未有的發展，但是人們在通信技術不斷發展的同時，對各個通信系統的性能要求也日益提高，以至于現存的通信系統仍然需要發展，需要科技工作者不斷解決更加苛刻的技術難題。在眾多技術難題中，如何實現高性能的單片全集成射頻壓 控振蕩器仍然是最具挑戰性的技術難題。

隨著無線通信的不斷發展，頻率資源越來越成為稀缺而珍貴的資源。為了使得無線通信 系統能夠充分地利用頻率資源，并且能夠在信號微弱以及臨近信道信號干擾強的惡劣條件實 現高性能的通信，各種無線通信系統在射頻前端普遍地采用頻率合成器技術。 高性能的頻率合成器通常采用鎖相環技術實現。鎖相環通用方框圖如圖1所示：

圖1 基于鎖相環的頻綜系統方框圖

在上述頻率合成系統中，反饋環路將使輸出頻頻為參考頻率的N/N+1 倍，如果這個參考頻 率采用穩定的低頻石英晶體振蕩器實現，那么該頻率合成器系統輸出頻率的穩定性將取決于 環路中壓控振蕩器的相位噪聲特性。為了確保壓控振蕩器具有低的相位噪聲，通常采用 LC-tank 結構構成高性能的壓控振蕩器。雖然在新的世紀里，對低相位噪聲VCO 的研究 取得令人矚目的成就，但是高性能單片集成的射頻VCO 芯片的設計仍然是一項十分艱巨的 任務。本文將基于一種新的VCO結構，采用有效的方法該降低該VCO 的相位噪聲，從而得到 高性能的VCO。

2 VCO 電路的設計

根據眾所周知的Lee 相位噪聲模型，為了得到盡可能低的相位噪聲，諧振電路的品 質因數必須盡可能的大。由于基于當前的工藝技術實現高品質因數的電感很困難，從而導致 基于當前的工藝技術實現高品質因數的諧振電路也很困難。所以，為了得到盡可能的低的相 位噪聲，在給定工藝條件下，必須采用工藝允許的品質因數最高的電感來實現高品質因數的 諧振電路，同時，還必須考慮其它相位噪聲降低技術。

根據Hajimiri 提出的線性時變相位噪聲理論模型，由周期性準穩態噪聲電流所引起 的相位噪聲可以表示為：

NMOS 器件，將使得VCO 的性能得到顯著的改善。采用該結構的VCO 便是PMOS-HBT 交叉耦合互補結構的VCO。由于降低1/f 噪聲對相位噪聲的影響，所以該結構能得到較好的 相位噪聲特性。因此，本文將采用如圖2 所示的PMOS-HBT 交叉耦合互補振蕩器結構。

在上述結構中，變容二極管（G0，G1），開關對（NM0 和NM1，NM3 和NM4），電感（L0，L1） 以及有源器件的寄生電容，共同構成壓控振蕩器的諧振電路，而PMOS（PM0，PM1） HBT（Q0，Q1）交叉耦合互補結構產生負阻，為電路補充因諧振電路的損耗而消耗掉的能量， 從而維持電路持續振蕩。為了實現電路的全集成，并能夠得到盡可能高的品質因數，電感 （L0，L1）采用片上螺旋電感。因為電路要實現寬調諧范圍，所以采用調諧范圍比較寬，品質 因數很高的MOS 變容二極管作為調諧電容。開關對（NM0 和NM1，NM3 和NM4）通過控制位 （B0，B1）來控制開關的關和開，從而實現數字調諧，這樣不僅能夠展寬調諧范圍，同時還能 夠保證調諧增益具有相對較好的線性度。調諧增益的線性度越好，控制電壓鏈路的噪聲 對輸出相位噪聲的干擾也就越小。

3 驗證結果

基于TSMC 0.35μm SiGe BiCMOS 工藝，并采用高性能電路仿真軟件Cadence SpectreRF 實現設計。對電路進行設計時，首先設計諧振電路，考慮到有源器件的寄生電容效應，以及 工藝的偏差和溫度補償，所設計的諧振電路的諧振頻率應該高于調諧帶寬的最高頻率。在設 計電路時，直流偏置電流應使該VCO 工作在流控區域，這樣可以降低電路的輸出相位噪聲 。為了進一步降低相位噪聲，PMOS 和HBT 的器件參數進行優化調整，使VCO 電路輸 出信號保持良好的對稱性。通過Cadence SpectreRF 仿真器仿真的輸出頻率結果如圖3 所示。

在0 到3V 的調諧電壓范圍內，該VCO 電路的輸出頻率范圍為4.78GHz 到5.244GHz， 調諧帶寬為444MHz。在4.78GHz 到5.244GHz 的頻率范圍內對相位噪聲的仿真結果如圖 4 所示。在4.78GHz 到5.244GHz 的調諧范圍內，在頻偏100KHz 時，輸出相位噪聲的范 圍為-99.16dBc/Hz 到-101.4dBc/Hz。該VCO 電路的性能總結如表1 所示。

4 總結

現代SiGe BiCMOS 工藝不僅提供了用于實現高集成度的CMOS 工藝，而且也提供了 噪聲特性優異的HBT 工藝，使制作高興能射頻集成電路成為可能。本論文基于TSMC 0.35μm SiGe BiCMOS 工藝，采用PMOS-HBT 交叉耦合互補結構實現了調諧帶寬為444MHz， 頻偏100KHz 時，最好相位噪聲-100dBc/Hz 的VCO。

本文創新點：當前流行的RFIC VCO 設計結構是PMOS-NMOS 交叉耦合互補結構，雖然該 結構具有較好相位噪聲特性，但是NMOS 器件的閃爍噪聲特性非常差，限制了相位噪聲 進一步降低。本文充分利用BiCMOS 工藝的優勢，采用PMOS-HBT 交叉耦合互補結構，同 時采用電容陣列調諧技術，在保證VCO 具有較低相位噪聲的同時，盡可能的展寬調諧頻 率的范圍，實現地相位噪聲和寬調諧范圍的VCO 設計。

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