第29卷第5期 半导体学报 Vol.29 No.5 2008年5月 JOURNAL OF SEMICONDUCTORS May,2008 一种低调谐增益变化的宽带电感电容压控振荡器* 袁路唐长文中闵吴 (复日大学专用集成电路与系统国家重点实验室，上海201203) 摘要：设计了一个应用于数字电视调谐器的宽带电感电容压控振荡器.该振荡器包含了一个开关可变电容阵列，用以抑制 调谐增益的变化.整个电路采用0.18 m CMOS工艺实现.测试结果表明：压控振荡器的频率范围从1.17GHz至2.03GHz (53.8%):调谐增益从69MHz/V变化至93MHz/V,其变化幅度与最大值相比为25.8%：最差相位噪声为-126dBc/Hz@ 1MHz:在1.5V电源电压下，压控振荡器的功耗约为9mW. 关键词：宽带；调谐增益：开关电容阵列：开关可变电容阵列：差分调谐：压控振荡器 EEACC:1230B 中图分类号：TN752 文献标识码：A 文章编号：0253-4177(2008)05-1003-07 可以在很宽的频率范围内保持一个较小的调谐增益变 1 引言 化，并且功耗不会因此额外增加.测试结果显示，其频率 范围从1.17至2.03GHz(53.8%),调谐增益则从69 压控振荡器(voltage-controlled oscillator)是射频 变化至93MHz/V(25.8%);压控振荡器的供电电压为 电路的一个重要模块.作为锁相环的关键电路模块，压 1.5V,最大直流功耗为9mW. 控振荡器对锁相环的频率覆盖范围、相位噪声、功耗等 重要性能都有直接影响.随着无线通信网络的发展，越 2频率范围要求 来越多的射频电路要求收发机能够覆盖更宽的频率范 围，这无疑对压控振荡器的设计提出了更高的要求. 射频数字电视调谐器(digital-video broadcasting 调谐增益(tuning gain)是衡量压控振荡器性能的 terrestrial,DVB-T)的结构如图1所示，大致可分为3 一个重要参数，其大小不仅决定了压控振荡器的频率范 部分：射频前端、模拟前端和数字基带.天线接收到的高 围，还直接影响着锁相环环路噪声传递函数).在通常 频信号通过射频前端后转变成所需要的低中频正交信 情况下，调谐增益都需要尽量低且稳定以改善锁相环相 号，再送入模拟前端进行处理.数字电视标准DVB-T 位噪声性能. 中，天线接收到的射频信号频率在50~860MHz之间， 在压控振荡器中采用数字信号控制的开关电容阵信道带宽为6/7/8MHz,而模拟前端输入信号的中频频 列(switched capacitor array)是一种常见的降低调谐增 率为7.2MHz. 益的设计方法，它能够使压控振荡器覆盖宽频带同时保 考虑到如果射频前端采用一次变频结构，需要的本 持较低的调谐增益2].尽管如此，在压控振荡器的不同 振信号频率范围太大，仅用单个压控振荡器难以提供， 频段调谐增益会发生波动.当频率范围加宽时，这种波 并且后续的镜像抑制滤波器设计也很难实现.因此，射 动会大到无法忽视的地步，进而影响整个锁相环的性 频前端采用了二次变频结构，即先将信号上变频至 能.因此必须采取措施来减小调谐增益的变化. 1.12GHz高中频，再下变频至7.2MHz低中频.由于第 目前，有一些设计方法用以抑制调谐增益的变 一次变频后的信号中频频率为1.12GHz,则需要的本 化4~).在文献[4幻中，输入控制电压改变等效谐振电感 振信号输出频率范围为1.17到1.98GHz. 的大小，从而抵消频率变化引起的调谐增益变化.文献 [5]利用数字逻辑电路，让压控振荡器的输出频率信号 3调谐增益的变化及其影响 决定其输入控制字.但这种方法需要增加额外的数字电 路，功耗也会增加.文献[6]则对可变电容施与不同的偏 压控振荡器的调谐增益在锁相环的传递函数中起 置电压，使得总谐振电容随控制电压线性变化 着重要作用，一个典型的频率综合器的开环传递函数与 为了达到抑制调谐增益变化的目的，本文在宽带电 调谐增益成正比.压控振荡器的调谐增益直接反映了该 感电容压控振荡器中设计了一个开关可变电容阵列 压控振荡器输出频率对压控电压的敏感程度.调谐增益 (switched varactor array).开关可变电容阵列的存在 越大，压控电压上相同幅度的电压噪声引起的频率变化 让等效可变电容的大小变得可控，从而使得压控振荡器 也越大，锁相环环路对噪声越敏感，相位噪声性能就会 *国家高技术研究发展计划资助项目（批准号：2007AA01Z282) 青通信作者.Email:zwtang@fudan.cdu.cn 2007-10-10收到，2007.11-08定稿 ©2008中国电子学会第２９卷 第５期 ２００８年５月 半 导 体 学 报 犑犗犝犚犖犃犔犗犉犛犈犕犐犆犗犖犇犝犆犜犗犚犛 犞狅犾．２９ 犖狅．５ 犕犪狔，２００８ 国家高技术研究发展计划资助项目（批准号：２００７犃犃０１犣２８２）  通信作者．犈犿犪犻犾：狕狑狋犪狀犵＠犳狌犱犪狀．犲犱狌．犮狀 ２００７１０１０收到，２００７１１０８定稿 ２００８ 中国电子学会 一种低调谐增益变化的宽带电感电容压控振荡器 袁 路 唐长文 闵 昊 （复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室，上海 ２０１２０３） 摘要：设计了一个应用于数字电视调谐器的宽带电感电容压控振荡器．该振荡器包含了一个开关可变电容阵列，用以抑制 调谐增益的变化．整个电路采用０１８μ犿犆犕犗犛工艺实现．测试结果表明：压控振荡器的频率范围从１１７犌犎狕至２０３犌犎狕 （５３８％）；调谐增益从６９犕犎狕／犞 变化至９３犕犎狕／犞，其变化幅度与最大值相比为２５８％；最差相位噪声为－１２６犱犅犮／犎狕＠ １犕犎狕；在１５犞 电源电压下，压控振荡器的功耗约为９犿犠． 关键词：宽带；调谐增益；开关电容阵列；开关可变电容阵列；差分调谐；压控振荡器 犈犈犃犆犆：１２３０犅 中图分类号：犜犖７５２ 文献标识码：犃 文章编号：０２５３４１７７（２００８）０５１００３０７ １ 引言 压控振荡器（狏狅犾狋犪犵犲犮狅狀狋狉狅犾犾犲犱狅狊犮犻犾犾犪狋狅狉）是射频 电路的一个重要模块．作为锁相环的关键电路模块，压 控振荡器对锁相环的频率覆盖范围、相位噪声、功耗等 重要性能都有直接影响．随着无线通信网络的发展，越 来越多的射频电路要求收发机能够覆盖更宽的频率范 围，这无疑对压控振荡器的设计提出了更高的要求． 调谐增益（狋狌狀犻狀犵犵犪犻狀）是衡量压控振荡器性能的 一个重要参数，其大小不仅决定了压控振荡器的频率范 围，还直接影响着锁相环环路噪声传递函数［１］ ．在通常 情况下，调谐增益都需要尽量低且稳定以改善锁相环相 位噪声性能． 在压控振荡器中采用数字信号控制的开关电容阵 列（狊狑犻狋犮犺犲犱犮犪狆犪犮犻狋狅狉犪狉狉犪狔）是一种常见的降低调谐增 益的设计方法，它能够使压控振荡器覆盖宽频带同时保 持较低的调谐增益［２，３］ ．尽管如此，在压控振荡器的不同 频段调谐增益会发生波动．当频率范围加宽时，这种波 动会大到无法忽视的地步，进而影响整个锁相环的性 能．因此必须采取措施来减小调谐增益的变化． 目 前，有 一 些 设 计 方 法 用 以 抑 制 调 谐 增 益 的 变 化［４～６］ ．在文献［４］中，输入控制电压改变等效谐振电感 的大小，从而抵消频率变化引起的调谐增益变化．文献 ［５］利用数字逻辑电路，让压控振荡器的输出频率信号 决定其输入控制字．但这种方法需要增加额外的数字电 路，功耗也会增加．文献［６］则对可变电容施与不同的偏 置电压，使得总谐振电容随控制电压线性变化． 为了达到抑制调谐增益变化的目的，本文在宽带电 感电容压 控 振 荡 器 中 设 计 了 一 个 开 关 可 变 电 容 阵 列 （狊狑犻狋犮犺犲犱狏犪狉犪犮狋狅狉犪狉狉犪狔）．开关可变电容阵列的存在 让等效可变电容的大小变得可控，从而使得压控振荡器 可以在很宽的频率范围内保持一个较小的调谐增益变 化，并且功耗不会因此额外增加．测试结果显示，其频率 范围从１１７至２０３犌犎狕 （５３８％），调谐增益则从 ６９ 变化至９３犕犎狕／犞 （２５８％）；压控振荡器的供电电压为 １５犞，最大直流功耗为９犿犠． ２ 频率范围要求 射频数字电视调谐器（犱犻犵犻狋犪犾狏犻犱犲狅犫狉狅犪犱犮犪狊狋犻狀犵 狋犲狉狉犲狊狋狉犻犪犾，犇犞犅犜）的结构如图 １ 所示，大致可分为 ３ 部分：射频前端、模拟前端和数字基带．天线接收到的高 频信号通过射频前端后转变成所需要的低中频正交信 号，再送入模拟前端进行处理．数字电视标准 犇犞犅犜 中，天线接收到的射频信号频率在５０～８６０犕犎狕之间， 信道带宽为６／７／８犕犎狕，而模拟前端输入信号的中频频 率为７２犕犎狕． 考虑到如果射频前端采用一次变频结构，需要的本 振信号频率范围太大，仅用单个压控振荡器难以提供， 并且后续的镜像抑制滤波器设计也很难实现．因此，射 频前端 采 用 了 二 次 变 频 结 构，即 先 将 信 号 上 变 频 至 １１２犌犎狕高中频，再下变频至７２犕犎狕低中频．由于第 一次变频后的信号中频频率为１１２犌犎狕，则需要的本 振信号输出频率范围为１１７到１９８犌犎狕． ３ 调谐增益的变化及其影响 压控振荡器的调谐增益在锁相环的传递函数中起 着重要作用，一个典型的频率综合器的开环传递函数与 调谐增益成正比．压控振荡器的调谐增益直接反映了该 压控振荡器输出频率对压控电压的敏感程度．调谐增益 越大，压控电压上相同幅度的电压噪声引起的频率变化 也越大，锁相环环路对噪声越敏感，相位噪声性能就会