第一章前言 LC Tank VCO 1☒ PFD LPF 。LO1 12.5MHz 1150-1975MHz ÷92-158 ÷50 250KHz LC Tank VCO PFD LPF 时定行 ◆L02 1063.5-1096.5MH ÷4253-4387 图1.3整数分频的频率综合器 控振荡器的噪声特性所确定。也就是说，为了设计出噪声性能很好的频率综合器，我们必须 采用高品质因数的压控振荡器电路。 在无线收发机的所有单元电路中，CMOS全集成的电感电容谐振压控振荡器(LC-VCO) 是在近六七年间的学术界和工业界研究中得到关注最多的射频单元电路。压控振荡器最重要 的指标要求是低相位噪声(-85dBc@10KHz)、低功耗（小于10mW)、宽调谐范围(1-2GHz)等。 采用高品质因数的片上螺旋电感和大电容系数比(Cmax/Cmim)的累积型MOS可变电容实现的 压控振荡器是在CMOS硅衬底上实现高性能压控振荡器的最佳选择。 1.2电感电容压控振荡器的研究现状 振荡器电路的实现方式主要有两种：电感电容谐振振荡器和环形振荡器。环形振荡器的 振幅比较大，但其开关非线性效应很强，使得它受电源/地的噪声影响很明显。虽然环形振 荡器也能够工作到1-2GHz,但是由于其相位噪声性能比电感电容谐振振荡器差很多，故而 在1GHz以上的振荡器很少采用环形振荡器结构。 ·片上电感和可变电容 电感电容谐振压控振荡器的电路结构来源于印刷线路板(PCB)上采用分立器件实现的振 荡器电路，早期它们大多采用分立的电感，电容及分立三极管器件。有源器件（三极管和MOS 管)非常适合于硅工艺集成，然而电感和可变电容面的集成临巨大的挑战。早期半集成化的 压控振荡器很多都采用键合线Bondwire)电感来实现高O值电感，并而采用反偏二极管的 PN结电容来实现压控可变电容。随着CMOS工艺的不断进步，金属互连线层数的不断增加， 基于片上螺旋电感的电感电容压控振荡器被广泛采用。 片上螺旋电感最主要的问题在于品质因数不是太高，一般H级的电感在1-2GHz频率 上的Q为4-8。片上螺旋电感的品质因数主要受到三种寄生效应的影响：第一，金属线的高 频趋肤和邻近效应造成串联电阻的急剧增加：第二，金属对硅衬底的寄生电容降低了电感的 自激振荡频率；第三，磁场在硅衬底中形成的涡流降低了电感感值，且增加了串联损耗电阻。 为了能够提高工作频段上的电感的Q值，近十年间许多人提出了很多解决办法，例如，采 用多层金属并联降低串联电阻：地屏蔽层减小电场在硅衬底上的损耗：差分电感等等。 可变电容作为可调单元广泛用于射频的压控振荡器的谐振电路中。在CMOS工艺上实 现可变电容主要有四种结构：PN结电容，普通MOS管电容，反型MOS管电容和累积型 电感电容压控振荡器第一章 前言 2 电感电容压控振荡器 控振荡器的噪声特性所确定。也就是说，为了设计出噪声性能很好的频率综合器，我们必须 采用高品质因数的压控振荡器电路。 在无线收发机的所有单元电路中，CMOS 全集成的电感电容谐振压控振荡器(LC-VCO) 是在近六七年间的学术界和工业界研究中得到关注最多的射频单元电路。压控振荡器最重要 的指标要求是低相位噪声(-85dBc@10KHz)、低功耗(小于 10mW)、宽调谐范围(1-2GHz)等。 采用高品质因数的片上螺旋电感和大电容系数比(Cmax/Cmin)的累积型 MOS 可变电容实现的 压控振荡器是在 CMOS 硅衬底上实现高性能压控振荡器的最佳选择。 1.2 电感电容压控振荡器的研究现状 振荡器电路的实现方式主要有两种：电感电容谐振振荡器和环形振荡器。环形振荡器的 振幅比较大，但其开关非线性效应很强，使得它受电源/地的噪声影响很明显。虽然环形振 荡器也能够工作到 1-2GHz，但是由于其相位噪声性能比电感电容谐振振荡器差很多，故而 在 1GHz 以上的振荡器很少采用环形振荡器结构。 z 片上电感和可变电容 电感电容谐振压控振荡器的电路结构来源于印刷线路板(PCB)上采用分立器件实现的振 荡器电路，早期它们大多采用分立的电感，电容及分立三极管器件。有源器件(三极管和 MOS 管)非常适合于硅工艺集成，然而电感和可变电容面的集成临巨大的挑战。早期半集成化的 压控振荡器很多都采用键合线(Bondwire)电感来实现高 Q 值电感，并而采用反偏二极管的 PN 结电容来实现压控可变电容。随着 CMOS 工艺的不断进步，金属互连线层数的不断增加， 基于片上螺旋电感的电感电容压控振荡器被广泛采用。 片上螺旋电感最主要的问题在于品质因数不是太高，一般 nH 级的电感在 1-2GHz 频率 上的 Q 为 4-8。片上螺旋电感的品质因数主要受到三种寄生效应的影响：第一，金属线的高 频趋肤和邻近效应造成串联电阻的急剧增加；第二，金属对硅衬底的寄生电容降低了电感的 自激振荡频率；第三，磁场在硅衬底中形成的涡流降低了电感感值，且增加了串联损耗电阻。 为了能够提高工作频段上的电感的 Q 值，近十年间许多人提出了很多解决办法，例如，采 用多层金属并联降低串联电阻；地屏蔽层减小电场在硅衬底上的损耗；差分电感等等。 可变电容作为可调单元广泛用于射频的压控振荡器的谐振电路中。在 CMOS 工艺上实 现可变电容主要有四种结构：PN 结电容，普通 MOS 管电容，反型 MOS 管电容和累积型 PFD LPF 92~158 ÷ ÷ 50 PFD LPF ÷ 4253~4387 12.5MHz 250KHz LO1 LO2 1150－1975MHz 1063.5－1096.5MHz LC Tank VCO LC Tank VCO 图 1.3 整数分频的频率综合器