11GHz CMOS环形压控振荡器设计

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1、第26卷　第1期半　导　体　学　报Vol.26No.12005年1月　　CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSJan.,2005311GHzCMOS环形压控振荡器设计王雪艳　朱　恩　熊明珍　王志功(东南大学射频与光电集成电路研究所,南京　210096)摘要:设计了一种全差分高速环形压控振荡器(VCO).该VCO有三级,每一级的增益是快慢通路增益的矢量叠加和,快慢通路的增益由底部电流源决定,差分控制电压通过镜像电流源控制快慢通路的各自电流,最终实现对振荡频率的调节.分析了VCO的工作原理及其相位噪声.电路采用TSMC公司0118μm标准CMOS工艺制作.测试结果显示:芯片

2、工作频率为10188～11172GHz,相位噪声为-101dBc/Hz@10MHz,输出信号抖动为318psrms,在118V电源电压下的直流功耗约为75mW.该VCO可以应用于锁相环和频率合成器中.关键词:压控振荡器;相位噪声;射频电路EEACC:1230B中图分类号:TN752　　　文献标识码:A　　　文章编号:025324177(2005)01201872051　引言2　电路结构设计的VCO系统框图如图1所示,整个系统包压控振荡器被广泛应用于通信系统电路中,例括三级延迟、可控镜像电流源、两级输出缓冲和偏置如锁相环、频率综合器以及时钟产生和时钟恢复电电路.全部采用全差分、全对称的电路结构

3、,级与级路.常见VCO的实现形式有LC振荡器和环形振荡之间直接耦合.前一级输出缓冲用于增加VCO驱动器.在GHz频段上,LC振荡器的噪声性能优于环形[1]负载电容的能力,后一级输出缓冲用于消除信号反振荡器.在标准CMOS工艺中为了防止栓锁效应,射而造成的功率损耗,增加传输效率,实现50Ω传硅衬底多为高掺杂,而当频率达到10GHz以上时,输线匹配.两级输出缓冲均采用源级耦合差分对构由于衬底的高掺杂,电感高频损失增加.主要表现为[2]成.偏置电路包括高值电阻分压结构和有源器件分导电率较低的电感在高频下产生的“趋肤效应”和[2]压结构,分别用于控制输入端的内偏置和电路中的“涡流效应”严重,使其自谐

4、振频率和Q值急剧下电流源偏置.降.目前国内外已报道的研究成果中能达到10GHz以上的多采用一些先进工艺,如0113μmCMOS,[3][4]GaAs,GeSi,Bipolar,以及非标准的低掺杂衬底来实现,但无法与现有CMOS工艺兼容,而现有CMOS[5～7]工艺实现的电路速度又比较低.因此,采用低成本、低功耗、易集成且易寻求代工服务的标准CMOS工艺设计高速通信集成电路,既是市场的需要,也是图1VCO系统框图研究的重点.Fig.1Voltage2controloscillatorarchitecture3国家高技术研究发展计划资助项目(批准号:2001AA312060)　王雪艳　女,硕士研

5、究生,主要从事万兆以太网和SDH264专用高速集成电路设计.　朱　恩　男,教授,从事以太网和光纤倍讯系统专用集成电路的研究.2003212230收到,2004207215定稿•2005中国电子学会188半　导　体　学　报第26卷3　电路原理负反馈振荡器起振的必要条件是环路增益满足下面两个条件:

6、H(jω0)

7、≥1(1)∠H(jω0)=180°(2)　　这些条件是必要非充分的.为了使VCO在温度和工艺存在偏差情况下仍能起振,我们选择环路的增益至少是两到三倍.考虑到级数较多不但增加面积且增加功耗,所以本设计选择三级.根据公式(1)和(2)计算得出,三级环形VCO的每一级低频增益至少是2,3ω0频

8、率信号的相移为60°(3ω0是振荡频率,ω0是每级差分放大对的3dB带宽).VCO每级的框图如图2所示,它由快速通路和慢速通路组成,差分对NM1,NM2组成信号的快速图2VCO单级电路示意图通路,差分对NM3,NM4和延迟单元组成信号的慢Fig.2OnestageofVCO速通路.输出信号是两通路的矢量叠加,Vcont调节两通路的增益.当快速通路开启,慢速通路关断时,振4　相位噪声分析荡频率最高;而快速通路关断,慢速通路开启时,振荡频率最低;Vcont使快速通路和慢速通路同时开启VCO的主要性能指标主要包括振荡频率、电压2时,振荡频率由两通路延迟的矢量和决定.慢速通路频率转换的线性度、调谐范

9、围、相位噪声、抖动和制中插入的延迟单元为源级耦合的基本差分放大器,造成本.其中相位噪声和抖动最为关键,主要表现在负载为PMOS管.延迟单元只是要求提供一定的延输出频率的波动,它直接影响定时的精度,降低了一迟,因此可以牺牲一定的增益来减小输入电容,从而定信噪比情况下的信号传输的误码率,不能实现最拓展VCO单级带宽.佳传输.相位和频率的波动因此成为国内外理论界[8～10]VCO每级增益的变化通过调节差分对NM1,