第1期 邬蓉等：一个1.5V低相位噪声的高频率LC压控振荡器的设计 169 -40 -60 -.-Without filter 73 dBc/Hz. -With filter s 82 dBc/Hz -80 -100 -124 dBc/Hz -120 -128 dBc/Hz -140 -160. 109 100 105 105 107 f/Hz 图6采用LC滤波技术前后的相位噪声比较 图5LC滤波技术的振荡器 Fig.6 Comparison of phase noise using LC filtering and Fig.5 LC VCO with LC filtering technique without using LC filtering technique 2电路设计 2.1电感电容滤波谐振回路的设计 根据1.2,1.3节的分析，本文设计的电路采用电感电 容滤波技术来降低相位噪声，增加了L2,C;C是差分对 管源极的寄生电容（在虚线框内），如图7所示.寄生电容 Co约204fF,L2取2.236nH,使L2与Co谐振在2，即7. 2G业.这样共模点的阻抗为无穷大，当输出幅度过大，迫 使负阻管进入线性区，导致阻抗降低时，共模点的高阻抗 抑制了负阻阻抗降低引起的谐振回路Q值减小的效应， 2.2负阻管的选择 由于本设计的电源电压只有1.5V,只能采用一种类 型的管子以使振荡器处于电流限制区.选择NMOS管是因 为NMOS迁移率比PMOS大，产生相同的Gm,NMOS管的 尺寸比MOS管小，寄生电容就小，这样对压控振荡器调 节范围的影响也越小.负阻管的寄生电容对调节范围的 影响见S)式.当总寄生电容Cparasitic逐渐增大时，振荡器 图7压控振荡器电路图 的频率调节范围会变小 Fig.7 Schematic of LC voltage-controlled oscillator △f=fmax-fmn=】 Cparasitic+Cmin 5) 2L(Cparasitic Cmin)(Cparasitic +Cmax 谐振回路的电感采用工艺库提供的电感模型，谐振回路的电感直接接在电源电压上，这样输出幅度不 会受到电源电压的限制，可以满足后级电路的输入幅度要求.负阻管采用工艺库中的RF MOS管，选择的 是最小的RF NMOS管，它足以保证起振，而且寄生电容比较小，其他的MOS模型是Bsim3.由于沟道调制 效应与沟道长度L成反比，尾电流源管的L取得大一些，同时W也取得较大，可以减小沟道调制效应和 flicker噪声，这样flicker噪声上混频效应小了，相位噪声也得到改善 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co..Ltd.All rights reserved.图 5 LC滤波技术的振荡器 Fig. 5 LC VCO with LC filtering technique 图 6 采用 LC滤波技术前后的相位噪声比较 Fig. 6 Comparison of phase noise using LC filtering and without using LC filtering technique 2 电路设计 2. 1 电感电容滤波谐振回路的设计 图 7 压控振荡器电路图 Fig. 7 Schematic of LC voltage2controlled oscillator 根据 1. 2 ,1. 3 节的分析 ,本文设计的电路采用电感电 容滤波技术来降低相位噪声 ,增加了 L2 , C1 ; C0 是差分对 管源极的寄生电容 (在虚线框内) ,如图 7 所示. 寄生电容 C0 约 204 fF, L2 取 2. 236 nH,使 L2 与 C0 谐振在 2ω0 ,即 7. 2 GHz. 这样共模点的阻抗为无穷大 ,当输出幅度过大 ,迫 使负阻管进入线性区 ,导致阻抗降低时 ,共模点的高阻抗 抑制了负阻阻抗降低引起的谐振回路 Q 值减小的效应. 2. 2 负阻管的选择 由于本设计的电源电压只有 1. 5 V ,只能采用一种类 型的管子以使振荡器处于电流限制区. 选择 NMOS 管是因 为 NMOS 迁移率比 PMOS 大 ,产生相同的 Gm ,NMOS 管的 尺寸比 PMOS 管小 ,寄生电容就小 ,这样对压控振荡器调 节范围的影响也越小. 负阻管的寄生电容对调节范围的 影响见(5) 式. 当总寄生电容 Cparasitic逐渐增大时 ,振荡器 的频率调节范围会变小. Δf = f max - f min = Cparasitic + Cmax - Cparasitic + Cmin 2π L ( Cparasitic + Cmin) ( Cparasitic + Cmax) . (5) 谐振回路的电感采用工艺库提供的电感模型 ,谐振回路的电感直接接在电源电压上 ,这样输出幅度不 会受到电源电压的限制 ,可以满足后级电路的输入幅度要求. 负阻管采用工艺库中的 RF MOS 管 ,选择的 是最小的 RF NMOS 管 ,它足以保证起振 ,而且寄生电容比较小 ,其他的 MOS 模型是 Bsim3. 由于沟道调制 效应与沟道长度 L 成反比 ,尾电流源管的 L 取得大一些 ,同时 W 也取得较大 ,可以减小沟道调制效应和 flicker 噪声 ,这样 flicker 噪声上混频效应小了 ,相位噪声也得到改善. 第 1 期 邬 蓉等 :一个 1. 5V 低相位噪声的高频率 LC压控振荡器的设计 961 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved