超寬帶壓控振蕩器電路的設(shè)計(jì)

基于多頻段一體化通信、雷達(dá)無線電跳頻通信以及短波通信系統(tǒng)對低噪聲、大帶寬等性能的需求， 提出了一種低相噪、低功耗、片上面積小、超寬帶的壓控振蕩器電路結(jié)構(gòu)。雙核 VCO 的結(jié)構(gòu)覆蓋了 12GHz-24GHz 的超寬帶正交頻率輸出范圍，采用 CMOS 工藝庫進(jìn)行了設(shè)計(jì)仿真和版圖設(shè)計(jì)，版圖設(shè) 計(jì)面積為 0.4mm×0.65 mm。仿真結(jié)果表明，寬帶壓控振蕩器在 TT 工藝角下的調(diào)諧頻率能覆蓋 11.79~25.15GHz 的超寬范圍，24GHz 工作頻率下，1MHz 頻偏處相位噪聲能達(dá)到 -100dBc/Hz，且電路 總功耗不超過 33mW。

無線通信系統(tǒng)對收發(fā)機(jī)通信速度，和工作帶寬 以及高精度頻率源、頻率穩(wěn)定度是正相關(guān)的，帶寬越 大則通信速度越寬。為了提高通信的保密性、抗干擾 性，以跳頻通信為主的擴(kuò)頻通信方式，可以有效規(guī)避 掉某些頻點(diǎn)上的干擾信號帶來的影響，從而保證通 信系統(tǒng)的可靠性運(yùn)行。而擴(kuò)頻系統(tǒng)的工作，除了對穩(wěn) 定度、噪聲等性能的要求，足夠?qū)挼恼{(diào)諧帶寬也是首 要特點(diǎn)。 作為頻率合成器的關(guān)鍵電路及重要組成部分的 壓控振蕩器，對整個(gè)收發(fā)系統(tǒng)的性能有著至關(guān)重要 的影響。壓控振蕩器的高穩(wěn)定度、低相位噪聲，大調(diào) 諧帶寬、低功耗以及小片上面積[1]，使得越來越多的 工程師為之付出不懈的努力，也必將成為未來對頻 率源的研究的趨勢。

整體架構(gòu)

一種用于為頻率綜合器[2] 提供高至 12GHz 的 LO 正交輸出的壓控振蕩器解決方案。為 了覆蓋到 12GHz 的 LO 正交輸出，壓控振蕩器設(shè)計(jì)結(jié) 構(gòu)需要能夠滿足 12GHz~24GHz 的頻率調(diào)諧范圍[3]， 同時(shí)配合頻率綜合器上的輸出級分頻驅(qū)動(dòng)器，可使 頻率綜合器能為后級收發(fā)機(jī)混頻器高至 12GHz[4]，低 頻能覆蓋至 20MHz 的本振輸出。 為了實(shí)現(xiàn)不低于 60%的寬帶頻率調(diào)諧范圍 （Frequency Tuning Range）[5]，整體架構(gòu)采用了雙核 （Dual-core）VCO 的結(jié)構(gòu)（如圖 1 所示）。

其中，高頻 段 VCO 核覆蓋了 18GHz~24GHz 的頻率范圍區(qū)間， 低頻段 VCO 核覆蓋了 12GHz~18GHz 的頻率范圍區(qū)間，兩段區(qū)間配合適當(dāng)?shù)念l率交疊范圍，確保避免 頻率空擋的出現(xiàn)，從而有效保證了頻率調(diào)諧范圍的 連續(xù)性。 VCO 架構(gòu)采用了 NMOS-Only Class-B 架構(gòu)，能 有效的共享偏置電流，拓寬啟動(dòng)裕度，降低不平衡 度。同時(shí)擺幅輸出的最大化，在降低高頻分頻器的 設(shè)計(jì)難度的同時(shí)還能獲得更為優(yōu)異的相位噪聲性能。每個(gè) VCO core 結(jié)構(gòu)中都包含 9bit 開關(guān)電容 陣列和 2bit 的變?nèi)莨荜嚵?，VCO 能夠根據(jù)當(dāng)前的諧 振頻率來調(diào)節(jié)變?nèi)莨艿慕尤霐?shù)量、削弱 Kvco 變化、 降低 AM-PM 相位噪聲的轉(zhuǎn)化、以及保證環(huán)路特性 的穩(wěn)定[9，11]。當(dāng)使能 VCO bias 以及 VCO Buffer 時(shí)，可 進(jìn)行頻段的切換，此時(shí) VCO_Buffer 中的電容值可自 動(dòng)調(diào)整，進(jìn)而改變峰值頻率，拓展帶寬。

壓控振蕩器的電路設(shè)計(jì)

VCO 的整體結(jié)構(gòu)共包含了 VCO_CORE, VCO_ VTUNE_BIAS, VCO_BUF_IBIAS, LOOP_SW, VCO_ Cwords_MUX, VCO_BUF 等模塊，部分功能模塊如圖 2 標(biāo)注所示。

VCO_CORE（如圖 3 所示）為 VCO 的核心。其中， 高頻 VCO core 覆蓋了 18GHz~24GHz 的頻率范圍，低 頻 VCO core 則覆蓋了 12GHz~18GHz 的頻率范圍，雙 核共同覆蓋了 12GHz ~24GHz 的頻率調(diào)諧范圍； VCO_VTUNE_BIAS 模塊為可變電容提供了偏置； VCO_BUF_IBIAS 為 VCO 的 buffer 提供電流偏置； LOOP_SW 用于 AFC 自動(dòng)頻率控制模塊工作時(shí)候控制 環(huán)路的開斷；VCO_Cwords_MUX 用于在 AFC 和外接 寄存器控制中 VCO_cwords 控制選擇電容線的信號。