低噪聲壓控振蕩器的應用設計方案

在開放的ISM和短距離裝置（SRD）頻段上工作的發(fā)射器和接收器都需要高性能的壓控振蕩器（VCO）。例如，ISM和SRD集成電路必須滿足像EN200 220-1、FCC的第15部分和ARIB STD-T67標準中所規(guī)定的輻射限制。環(huán)形振蕩器和張馳型壓控振蕩器只能滿足高輸出電平和低成本的窄帶應用，而LC型VCO則可以很低的成本提供這些工作在開放頻段上的競爭性應用所需的高性能。

這些應用將會受到多個寄生輻射源的影響。例如，在典型的使用鎖相環(huán)（PLL）的發(fā)射機中，將存在3種輻射源（圖1）。在鎖相帶寬內(nèi)，來自電荷泵的噪聲是主要分量。該噪聲經(jīng)過壓控振蕩器的增益被轉換成相位噪聲。而在環(huán)路帶寬外，噪聲貢獻主要來自壓控振蕩器的自由振蕩噪聲。壓控振蕩器的相位噪聲被抑制在環(huán)路帶寬內(nèi)。第三個寄生輻射源來自參考信號。它是由電荷泵的非線性開關引起的，它將在電荷泵的輸出端產(chǎn)生一個紋波電流。由參考信號引起的該寄生信號，也和壓控振蕩器的相位噪聲一樣，可以用環(huán)路濾波器將其濾除。

低噪聲壓控振蕩器的應用設計方案

為了滿足寄生輻射的要求，有幾種折衷方案。在基于環(huán)形振蕩器的壓控振蕩器中，可以用具有較寬帶寬的鎖相環(huán)反饋環(huán)路來減小靠近載波的相位噪聲。不過，由于環(huán)路濾波器也用來抑制參考寄生信號，這在需要高輸出功率時將會產(chǎn)生一些問題。此外，來自電荷泵的噪聲貢獻也將會成為問題。一個較好的方案就是使用基于電感－電容（LC）的壓控振蕩器。由于基于電感－電容的壓控振蕩器的相位噪聲比基于環(huán)形振蕩器的壓控振蕩器要低，所以它可減小環(huán)路濾波器的帶寬，從而無需折衷考慮靠近載波的相位噪聲。另外，減小帶寬還能減小電荷泵噪聲。

實際上，在窄帶工作時也存在類似的問題。對于一個整數(shù)為N的鎖相環(huán)，窄的信道間隔要求使用一個低的參考頻率和窄的環(huán)路濾波帶寬。因此，當靠近載波的相位噪聲性能要求較高時，也需要使用基于LC的壓控振蕩器。在環(huán)路帶寬外，發(fā)射機的相位噪聲也僅僅和壓控振蕩器的自由振蕩噪聲一樣。而這些根本與鎖相環(huán)的拓撲結構無關。

解決這一問題的一個途徑，就是使用外加電感器的基于LC的壓控振蕩器。由于從芯片上去掉了電感，芯片就可以做得很小，電感的品質因數(shù)（Q）也可以做得更高。這樣做的缺點在于增加了引腳和外部元件數(shù)量、以及槽路的寄生參量，另外，也容易導致多模振蕩。對于這些問題，單靠集成電路的設計自身是無法解決的，而是要通過PCB的合理設計以及選取適當?shù)耐獠吭斫鉀Q。相對于全集成解決方案，帶外部電感的LC型壓控振蕩器可以減小芯片尺寸和成本，但要求使用者付出更大的工作量。因此，更多的設計師傾向于選擇全集成的LC型壓控振蕩器。

對于一個低功耗、低相位噪聲壓控振蕩器的設計來說，高質量的電感器是關鍵。但是，采用標準的集成技術難以實現(xiàn)電感。一種可能性就是使用線繞電感器。這種電感器要用較長的線圈，大約為1mm/nH。然而，對于ISM的應用，腔體尺寸非常小，因此對于低至900MHz這樣的頻率，可以實現(xiàn)的電感量卻又太小。

于是，就要求使用集成電感器，這就需要使用鍍金的集成技術。對于高品質因數(shù)的電感器，需要采用低阻的金屬層。但為減小襯底損耗，又要求使用高阻的襯底。常用的0.6um BICMOS工藝提供了另一種選擇。第三層金屬層厚度為2.4um，其面電阻為12.5歐姆/單位正方形（Ω/square）。它在襯底3.5um上方進行敷設，這樣襯底電阻可以達20歐-厘米。

該VCO設計采用一個外部電感是為了節(jié)省芯片面積。通過采用差分方式使用該電感獲得很高的品質因子Q。這能與VCO的差分拓撲結構很好匹配。業(yè)界確實有這種用法，不過Cadence Inductor Modeller不支持對對稱電感進行建模。因此，該電感以前被建模成非對稱電感，后來又基于幾個簡單的近似對模型進行完善。由于對稱電感線圈的平均位置沒有變化，因此對稱電感的電感值大致與具有相同幾何構型的非對稱電感相等。它的品質因子將會稍低一點，因為通孔數(shù)量增加了，這可通過增加一個串聯(lián)電阻進行模擬。

這時，諧振頻率率會明顯減小，因為兩個相鄰線匝之間的氧化電容在電感的寄生電容中占更大比重。通過簡單估算可知，電感的諧振頻率率僅為相應非對稱電感的70％。這是通過另外一個并聯(lián)電容進行模擬的，從圖2可看到該電感結構和特性。

LC諧振的第二部分是集成的變?nèi)?a target="_blank">二極管。在目前使用的工藝中，集成變?nèi)荻O管很容易得到實現(xiàn)，它們利用了N阱里的P擴散區(qū)域。掩埋式集電極和溝道被用于實現(xiàn)N阱的低串聯(lián)電阻。變?nèi)荻O管的品質因子取決于調(diào)節(jié)電壓。在頻率為900MHz、調(diào)節(jié)電壓2V的情況下，品質因子Q為70；當電壓降為0V時，Q下降到約35。

變?nèi)荻O管的陰極位于N阱中，具有較大的寄生電容。這些寄生電容的Q值很低，因此陽極與LC諧振電路相連接，且把陰極用作控制輸入是非常重要的。

LC VCO通常由LC諧振電路和補償電路組成，該補償電路產(chǎn)生負電導來補償LC諧振損耗。為獲得諧振初始條件，LC VCO必須滿足下面不等式。