应用于无线局域网的低压低功耗2.5GHz VCO设计
应用于无线局域网的低压低功耗2.5ghz vco设计
摘要：采用交叉耦合结构，利用tsmc90nm 1p9m 1．2v rfcmos工艺设计的全集成lc压控振荡器(vco)，符合ieee 802．1lb／g wlan通信标准。调谐电压为0～1．2v，具有150mhz的调谐范围(2．44ghz～2．59ghz)。利用mentor graphics eldo对该电路进行仿真，仿真结果显示，在2．5ghz工作频率处，相位噪声约为-122．3dbc／hz@1mhz，功耗仅为1．9mw。
0 引言
随着便携式无线设备市场的迅速扩张，降低系统功耗成为射频集成电路设计的重要方向。降低电源电压作为减小电路功耗的一种常规方法，效果十分明显，但设计时必须面对输出摆幅下降、信噪比恶化，以及系统对pvt(process,voltage，temperature)因素更加敏感等诸多问题。
压控振荡器(vco)作为频率合成器的关键模块，其稳定性和频谱纯度对通信收发系统的性能至关重要。如何在输出摆幅、相位噪声、调谐范围、偏置电流和功耗之间取得较好的折衷是vco设计的最大难点。本文在总结lc vco一般性设计方法和理论的基础上，设计了一个适用于ieee 802．11b／g wlan(无线局域网)通信标准的vco。为降低功耗，该vco采用tsmc 90nm 1．2v低电源电压工艺，仿真结果显示，在2．5ghz中心频率处，功耗仅为1．9mw，相位噪声约为-122．3dbc／hz＠1mhz，相比其它文献的同中心频率vco设计，功耗更低，同时具有较低的相位噪声。
1 lc vco的基本工作原理
交叉耦合型lc vco利用有源器件-g，不断补充lc谐振同路寄生电阻g所消耗的能量，以维持振荡。有源器件一般可用mos对管构成的负阻实现，为确保振荡，需满足条件
其中，αg为增益裕度系数，典型值取2～3。gtank为lc谐振回路等效导纳，gactive为负阻导纳，且有
交叉耦合mos管跨导可表示为
相对单nmos或pmos交叉结构vco而言，互补交叉结构vco的输出波形更对称，噪声特性更好。因此本文选择互补交叉结构的vco，电路拓扑结构如图1所示。根据lc振荡器基本理论，该vco的输出频率为
其中，ctotal为vco的总电容值，包括固定电容cfix、可变电容cv，以及寄生电容cp(电感l、交叉耦合mos管和后级电路的寄生电容)，调谐电压vtune控制cv，使vco输出频率厂f0随vtune的变化而变化。
2 电路设计
2．1 片上电感l的选取
相位噪声与q值平方成反比关系，lc谐振回路的q值越高，vco相位噪声越小。片上电容的品质因数比片上电感大很多，因而lc谐振回路的品质因数主要取决于片上电感。由于片上电感和硅衬底之间存在耦合电容，能量将被耦合至衬底中，导致能量损耗，因此极大降低了片上电感的品质因数q值。片上电感q值可通过测量电感的y参数获得：
tsmc 90nm 1p9m 1．2v rfcmos工艺的片上电感为铜金属八边形平面螺旋电感，制作在p型衬底上。为降低电感与衬底间的氧化层电容，减小高频损耗，通常使用工艺中最厚的顶层金属制作电感。tsmc 90nm 1p9m 1．2vrfcmos库中的片上电感采用ultra thick metal工艺，位于顶层金属m9层，共分三种类型：标准型(std)电感、对称型电感(sym)和带中心抽头的对称型电感(symct)，可调节的参数包括电感金属线宽度w、电感金属线圈数nr和电感内直径rad。为获得更高的品质因数，应取最大的金属线宽w，以减小寄生电阻。对不同规格的电感进行s参数的扫描仿真，经计算比较后，最终采用尺寸为w=15 μm，nr=3，=90 μm，感值l=1．43nh的sym电感，在振荡频率2．5ghz处，其q值约为14．9。
2．2 负阻rfmos管的选取
rfpmos和rfnmos对管构成负阻单元，提供维持振荡所必须的能量。由式(1)～(3)可知，w／l必须足够大以确保起振。当gmp=gmn时，输出波形具有最好的对称性，可有效抑制1／f噪声的上变频。由于电子的迁移率是空穴的2～3倍，故rfpmos管和rfnmos管的w／l比应在2～3之间。为降低振荡器功耗，并减小mos管的寄生电容，rfnmos管应取工艺允许的最小尺寸，即nr×l×w=11×0．1μm×1μm。仿真结果表明，rfpmos管尺寸取rfnmos管的3倍时，输出波形具有最好的对称性。
2．3 固定电容cfix和可变电容cv的选取
选取库中参数为ff=32．8gm，wt=20μm 容值cfix=1．046pf的mim固定电容。考虑到工艺误差和外界温度的影响，vco频率调谐范围应留有一定裕度。经比较后采用库中参数为br=8，gr=7的1．2vn阱rfmos变容管。仿真显示，vco的工作频率在2．44～2．59ghz范围内变化，完全覆盖ieee 802．b／g通信标准的频率范围。
2．4 偏置电流ibias
l／f噪声的上变频噪声对尾电流源影响最为显著，由于pmos管比nmos具有更低的l／f噪声，因此本设计采用pmos尾电流源，pmos管参数设置为fingers×l×w=5×1μm×100μm。
电流限制区的itail与相位噪声关系如下
故itail越大，相位噪声越低。但itail增大到一定程度后将进入电压限制区，输出摆幅被钳制在vlimit，对相位噪声的改善将没有任何意义。因此，itail存在一个对应最小相位噪声的优化值，位于电流限制区与电压限制区临界处。在对功耗和相位噪声进行折衷考虑后，电流源ibias值定为1．8ma。
2．5 噪声滤除
为进一步滤除vco输出中的高次谐波，在rfpmos负阻管与地端之间接对称型电感lf，其参数取值为w=3，nr=6，rad=90。
3 仿真结果
经mentor graphics eldo仿真，vco调谐曲线如图2所示，当调谐电压由0v变化至1．2v时，vco的输出频率从2．44ghz增大至2．59ghz。在2．5ghz中心频率处的相位噪声特性曲线如图3所示。
vco性能参数如表l所示。
4 结论
本文在总结vco一般性设计方法的基础上，利用tsmc 90nm 1．2v rfcmos工艺设计了一个全集成交叉耦合lc vco，其满足ieee 802．11b／g wlan通信标准要求，较其它文献的设计具有结构简单、相位噪声低和低压、低功耗的优点，非常适用于对节电性能要求较高的便携式wlan收发设备。
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1 lc vco的基本工作原理
交叉耦合型lc vco利用有源器件-g，不断补充lc谐振同路寄生电阻g所消耗的能量，以维持振荡。有源器件一般可用mos对管构成的负阻实现，为确保振荡，需满足条件
其中，αg为增益裕度系数，典型值取2～3。gtank为lc谐振回路等效导纳，gactive为负阻导纳，且有
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其中，ctotal为vco的总电容值，包括固定电容cfix、可变电容cv，以及寄生电容cp(电感l、交叉耦合mos管和后级电路的寄生电容)，调谐电压vtune控制cv，使vco输出频率厂f0随vtune的变化而变化。
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2．1 片上电感l的选取
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rfpmos和rfnmos对管构成负阻单元，提供维持振荡所必须的能量。由式(1)～(3)可知，w／l必须足够大以确保起振。当gmp=gmn时，输出波形具有最好的对称性，可有效抑制1／f噪声的上变频。由于电子的迁移率是空穴的2～3倍，故rfpmos管和rfnmos管的w／l比应在2～3之间。为降低振荡器功耗，并减小mos管的寄生电容，rfnmos管应取工艺允许的最小尺寸，即nr×l×w=11×0．1μm×1μm。仿真结果表明，rfpmos管尺寸取rfnmos管的3倍时，输出波形具有最好的对称性。
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vco性能参数如表l所示。
4 结论
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