维普资讯 http://www.cqvip.com ２０Ｏ６年４月 第２６卷第２期 宇航计测技术 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃ Ｍｅｔｒｏｌｏｇｖ ａｎｄ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ａｐｒ．，２０Ｏ６ Ｖｏ１．２６．Ｎｏ．２ 文章编号：１０００—７２０２（２００６）０２—００４７—０４ 中图分类号：ＴＮ７５２．２ 文献标识码：Ａ ＣＭＯＳ集成压控振荡器设计 谢海情 曾健平 刘嘉晗 叶 英 （湖南大学应用物理系，长沙４１００８２） 摘 要 通过分析ＣＭＯＳ差分负阻振荡器的工作原理，得到电路结构和参数的优化方案。基于０．１８ ｐａｎ工 艺，采用片上电感和可变电容，设计了一种基于开关调谐电容结构的宽可调范围的分段线性互补型交叉耦合ＣＭＯＳ 集成压控振荡器。在提高振荡器的可调范围的同时，降低相位噪声。电路采用ＨＳＰＩＣＥ进行仿真，在１．８ Ｖ电源电 压下，振荡频率的变化范围为１．５５ ＧＨｚ一２．８５ ＧＩ－Ｉｚ，可调范围约为６０％。功耗为５ ｍＷ一１０ ｍｗ，相位噪声在１Ｏ＾ｄ口 频率偏移处为一１１０ ｄＢ／Ｉ－Ｉｚ。 关键词 压控振荡器分段线性交叉耦合锁相环 Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＣＭＯＳ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ＶＣＯ Ｘｉｅ Ｈａｉ—－ｑｉｎｇ Ｚｅｎｇ Ｊｉａｎ－－ｐｉｎｇ Ｌｉｕ Ｊｉａ－ｈａｎ Ｙｅ Ｙｉｎｇ （Ｉ）ｅｐａｒｔｍｅｍ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ，４１００８２） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔ ｏｆ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ａｎａｌｙｓｅｓ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｄｉｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｎｅｇａｔｉｖｅ－ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ＣＭＯＳ ＶＣＯ（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｄ Ｏｓｃｉｅｌｌａｔｏｒ）．Ａ ｐｉｃｅｗｉｅｓｅ ｌｉｎｅａｒ， ’ｖｉｄｅ ｔｕｎｉｎｇ－ｒａｎｇｅ．ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ＣＩ０＇￣８－ｃｏｕｐｌｄ ｉｅｎｔｅｇｒａｔｄ ｅｖｏｌｔａｇｅ—ｃｏｎｔｒｏｌｌｄ ｏｓｃｉｅｌｌａｔｏｒ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｕｎｉｎｇ－ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｕｓｉｎｇ ｏｎ－ｃｈｉｐ ｉｎｄｕｃｔｏｒ ａｎｄ ｖａｒａｃｔｏｒ ｉｎ ０．１８ ｔｕｎ ＣＭＯＳ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｃｏｕｌｄ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｕｎｉｇ ｒｎａｎｇｅ ａｎｄ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｐｈａｓｅ ｎｏｉｓｅ ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ．Ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ Ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｄ ｂｙ ｅＨＳＰＩＣＥ ｕｎｄｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｖｏｌｔａｇｅ ｆ １．８ Ｖ．Ｔｈｅ ｏｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ ｒａｎｇｅｄ ｆｒｏｍ １．５５ ＧＨｚ ｔｏ ２．８６ ＧＨｚ，ａｎｄ ｈｅ ｔｔｕｎｉｇ ｒｎａｎｇｅ Ｗａｓ ａｂｏｕｔ ６ｏ％．Ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｏｆ ｈｅ ｃｉｔｒｃｕｉｔ Ｗａｓ ５ ｍＷ ｔｏ １０ ｍＷ．Ｐｈａｓｅ ｎｏｉｓｅ Ｗａｓ —ｌ１０ ｄＢ／Ｈｚ ａｔ ａｎ ｏｆｆｓｅｔ ｏｆ １０ ＭＨｚ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ＶＣＯ Ｈｅｃｅｗｉｓｅ ｌｉｎｅａｒ Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｃｌ＇Ｏ￣Ｓ—ｃｏｕｐｌｄ ＰＩｅ １引 言 近年来，无线通信系统的蓬勃发展推动了低成 本、低功耗ＣＭＯＳ无线收发机的研究与开发。锁相 收稿日期：２００５．１０－１４ 环作为射频前端的时钟回复和产生电路的重要部件 在无线通信系统中被广泛应用。压控振荡器（Ｖｏｈ． ａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ，ｖＣＯ）作为锁相环中的重要 组成部分，对它的研究在近六、七年间得到了特别关 作者简介：谢海情（１９８２一），男，硕士研究生，主要从事锁相环技术的研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com 宇航计测技术 ２ＯＯ６年 注…。无线电通信系统和宽带接收机的迅猛发展， 通常通过改变回路的电容值来调节频率。容易得 特别是手持无线设备（如手机）的普及，使得射频前 到，振荡频率为［４］ 端芯片设计向小型化、低成本、低功耗等方向发展。 １ １ 单片ＶＣＯ已经证明了它具有非常小的体积和低廉 ＝ 的成本，而且它可以使用与实现ＲＦ收发机其它功 能单元相同的工艺制作。因此被广泛使用［２２。典型 ］通过调节可变电容的大小而改变输出频率，频 的ＣＭＯＳ工艺下的互补型交耦合Ｌｃ压控振荡器电 率的可调范围受到可变电容变容范围的。所以 路如图１所示 ３。 一般的Ｌｃ压控振荡器只能做到１０％～２Ｏ％的可调 范围ｌ５Ｊ。而且，随着频率变化范围的增大，压控增益 也将增大，输出特性曲线会出现弯曲，相位噪声 里 性能将会变差 。 Ｌ Ｌ 为了提高振荡器的可调范围，同时降低相位噪 ｃｏｎｔｒｏｌ ｃ， Ｔ ｃｖ 声，本文设计了一种基于开关调谐电容结构的分段 线性压控振荡器，即将一个宽带调谐范围分段为几 ＞ 个窄带调谐范围。 ２ 电路设计 圈１典型ＬＣ压控振荡嚣电路 本文设计的分段线性宽频带压控振荡器如图２ 所示。 图２分段线性宽频带压控振荡器 维普资讯 http://www.cqvip.com 第２期 ４９ Ｃ ｖｌ 曼 来将调节电路输出信毒 弄吴 一篓 压，通过它改变可变电容 感值约为３．５ ｎｉｌ 个宽带调谐范围分 …～ 一 儿 Ｆ 咀平 ，～ 定电容可以采用两层金属实现 －耋 ！ 容则可以蕖 。 堂 用 制权重的开关电容阵列，电容值 掌管 ：． 竺 漏源和李计中，可变电 二 ？ ：１．２‘ｐ～Ｆ，Ｃ３ ＝ ２ ，４ ｐＦ－Ｊ 以将整 ８ 可变电容的变化范围应大电压 有关 其电容值 一～… ～ 删 蒿 带调谐范围。 剁 ，－ｎ，，。￣Ｏ＇一 ｉ ｆ应查大，以维持一定的 列的压控振荡 ， 批八 须计入开筹 墨电舡能电流受限区域和 箍 一 窆 曼 比， 以可以通过 簇 寻 铱０譬 ： ，Ｊ开关 ； 查薯 耋升苎 ： 于电感的Ｑ值会提高，使 和寄生电容之间折衷、电容的ｐ值 ’ 荨 耋羹０ 电流源： 使各频段的 每降 二罘 样 … ” 八 耄 景 容竺影响。漏 。 枉壬九耋慧誉 ＇塑 １选取最高 ．．８ Ｖ电源电压下，为了满足功 幅落 增加０ ．５ ＩｎＡ １ …’一 廿训 ３仿真结果 １Ｐ４Ｍ工艺库，采用ＨＳＰＩＣＥ Ｘ￣ ，一耄，寻 到最高振荡频率 ”且可变电容取最／… Ｊ、值 ’ｍｊ ， 率路擀 电压特性如图３所示； ： ● 。三．１．８ Ｖ山 … 。 … 下，得到频 刘 ｔ …， ■ ； ｒ：＿一 ：； ： ；： 一 ‘＝：／ ： ； ， 『一 一－÷ｔ三 ≥专 —， 一Ｉ’：＿ｌ ．＿ ．— ，ｌ， ： ≯≯■： 一 二 －；—■《 …。 。。。． ： Ｊ ■ ０一¨≯ 一．－ －］ Ｉ ；ｉ ； 一：。 ７ 一 ｎ＞ｃ，一ｆ ） 看到所设计的压控振荡器覆盖了Ｉ， ．圭皇 圭要芑苎彳导 必须／Ｊ、于ｏ．３ ｐＦ。综合考 选取合适尺寸的开关管 ，为使最高频率为２０ ９ ，０ ２ ｐＦ ｄ￣．８ Ｇ 左右，‘矗 取ｃ 的…一 “ 中 选用工艺库中的对称螺旋电感，坚竺 同变化妻 了宽频带的要求Ｇ． ．：，８．６ ．的频率范围，可调矗 １ ，．５５ ｏｏ ，线宽１５ ，线间距２ ， 圈 ；： 仿真得 ｍｗ＇最大功耗为１０ ｍｗ。对输出波痞蔷 维普资讯 http://www.cqvip.com 宇航计测技术 ２０Ｏ６定 到输出频率谱，并计算出１０ ＭＨｚ处相位噪声为 一１１Ｏ ｄＢ／Ｈｚ。 参考文献 ４结束语 ［１］Ｄｏｎｈｅｅ Ｈａｍ，Ａｌｉ Ｈ￣ｊｉｍｉｒｉ．Ｃ０ｌ１ｏｅ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ ｏｔａｉ－ ｍｉｌｔｏｎ ｏｆ ％随ｔｅｄ ＬＣ ＶＣＯｓ［Ｊ］．珊旺ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＯＬＩＤ—ｓ１ ＩＥ Ｃ巩ｃＵｒＩＳ，２００１，３６（６）：８９６—９０９． 本文基于日趋成熟的集成压控振荡器原理，通 ［２］Ｐｉｅｔｍ ＡＭｌｖ．ａｎｉ，ｉｔｅｎｒｉｋ ｓｊ～ｏｌａｎｄ．Ａ １．８ＧＩ－Ｉｚ ＣＭ０ｓ ｖ（］（） 过分析ＣＭＯＳ差分负阻振荡器的工作原理，得到电 ｗｉｔｈ Ｐｏｒｄｕｃｅｄ Ｐｈａｓｅ Ｎｏｉｅｓ［Ｊ］．衄ＪｏＩＪＩｌＮＡＬ ｏＦ卿皿 路结构和参数的优化方案。基于ＴＳＭＣ ０．１８ ｐａｎ 帆∞ＣＵｒｒＳ，２０ｏｌ，３６（４）：２４５—２４７． １Ｐ４Ｍ射频工艺库，适当选择片上电感和可变电容， ［３］Ａｌｉ Ｈａｊｉｍｉｒｉ，Ｔｈａｒａａｓ Ｈ．Ｌｅｅ． Ｉｓｓｕｅｓ ｉｎ ＣＭＯＳ Ｖｉ￣ｒ－ 在可调范围、功耗、相位噪声和芯片尺寸之间适当折 ｅｎｔｉａｌ ＬＣ Ｏｓｃｉｌｈｔｏｒｓ［Ｊ］．ⅢＥＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ｓ０ＩＪＩ ｓＩ 【Ｅ 衷，设计了一个宽可调范围的，分段线性互补型交 ＣＩＲＣＵｒＩＳ，１９９９ ３＿４（５）：７１７—７２４． 叉耦合ＣＭＯＳ集成压控振荡器。电路利用ＨＳＰＩＣＥ ［４］张海清，章倩苓．２．５ ＧＩ－Ｉｚ低相位噪声ＣＭＯＳ Ｌｃ ＶＣＯ的 进行了仿真，在１．８ Ｖ电源电压下，振荡频率范围为 设计［Ｊ］．半导体学报，２ＯＯ３，４２（１１）：１１５４—１１５８． １．５５ ＧＩ－Ｉｚ一２．８６ ＧＩ－Ｉｚ，可调范围约为６ｏ％。功耗为５ ［５］Ｐｉｅｔｒｏ ＡＭｌｖ．ａｎｉ，Ｓｖｅｎ Ｍａｔｔｉｇ￣Ｍ１．Ｏｎｔｈｅ Ｕｓｅ ｏｆＭＯＳ Ｖａｍｏｍ８ ｍＷ一１０ ｍＷ，相位噪声在１０ ＭＨｚ频率偏移处为 ｉＩｌ ＲＦ ＶＣＯ’８［Ｊ］．衄Ｊ０ｌｍＮＡＩ．ＯＦ ＯＳＬＩＤ－ＳＴＡＴＥ Ｃ！Ｒ． ＣＵｒｌＳ，２００ｏ，３５（６）：９０５—９１０． 一１１０ ｄＢ／Ｈｚ。因此，所设计的ＶＣＯ在要求频率覆 ［６］潘莎，赵辉，任俊彦．１．８ ＧＩ－Ｉｚ相位噪声优化的差分压控 盖范围广的多功能移动通讯设备中有很好的应用前 振荡器［Ｊ］．微电子学，２ＯＯ３，３３（Ｓ）：３９０—３９４． 景。 （上接第７页） 矩形四点法对二维和一维零阶谐波都产生抑制，前 离技术的实用化依然很困难，相对于直线度误差分 者造成不能得到整个待测平面在空间的位置，后者 离技术已经趋向成熟而言，平面度误差分离技术的 造成平面上相邻形状误差曲线拟合直线相对位置的 研究依然任重而道远。 不确定，这使得分离得到的平面形状误差失真。 参考文献 ［１］葛根焰，李圣怡，吴明根．大型超精密平面度在线测量 新方法［Ｊ］．机械工艺师，１９９８．６：１９ ２１． ［２］蔚文平．平面度的在线检测及补偿方法的研究［Ｊ］．航 空精密制造技术，１９９７，３３（５）：４ｏ一４３． Ｏ ［３］郝群，刘巽尔，王信义．一种在线测量平面度误差的新 方法［Ｊ］．航空计测技术，１９９６，１６（４）：３—５，９． 圈５二堆频域矩形四点法 ［４］祝斌，洪迈生，李济顺．基于二维Ｆｏｕｒｉｅｒ变换的平面形 状误差分离新方法［】］．上海交通大学学报，１９９８．１２。３２ ３结束语 （１２）：４３—３７． ［５］孙宝寿，张镭。张玉．三点法测量直线度误差仿真计算 从以上介绍的几种方法可以看出平面度误差分 ［Ｊ］．东北大学学报，１９９４。１５（２）：２００ ２０４．
