应用于无线局域网的低压低功耗2.5GHz VCO设计

摘要：采用交叉耦合结构，利用TSMC90nm 1P9M 1．2V RFCMOS工艺设计的全集成LC压控振荡器(VCO)，符合IEEE 802．1lb／g WLAN通信标准。调谐电压为0～1．2V，具有150MHz的调谐范围(2．44GHz～2．59GHz)。利用Mentor Graphics Eldo对该电路进行仿真，仿真结果显示，在2．5GHz工作频率处，相位噪声约为-122．3dBc／Hz@1MHz，功耗仅为1．9mW。
关键词：压控振荡器；无线局域网；低压；低功耗；低相位噪声

0 引言
随着便携式无线设备市场的迅速扩张，降低系统功耗成为射频集成电路设计的重要方向。降低电源电压作为减小电路功耗的一种常规方法，效果十分明显，但设计时必须面对输出摆幅下降、信噪比恶化，以及系统对PVT(Process,Voltage，Temperature)因素更加敏感等诸多问题。
压控振荡器(VCO)作为频率合成器的关键模块，其稳定性和频谱纯度对通信收发系统的性能至关重要。如何在输出摆幅、相位噪声、调谐范围、偏置电流和功耗之间取得较好的折衷是VCO设计的最大难点。本文在总结LC VCO一般性设计方法和理论的基础上，设计了一个适用于IEEE 802．11b／g WLAN(无线局域网)通信标准的VCO。为降低功耗，该VCO采用TSMC 90nm 1．2V低电源电压工艺，仿真结果显示，在2．5GHz中心频率处，功耗仅为1．9mW，相位噪声约为-122．3dBc／Hz＠1MHz，相比其它文献的同中心频率VCO设计，功耗更低，同时具有较低的相位噪声。

1 LC VCO的基本工作原理
交叉耦合型LC VCO利用有源器件-g，不断补充LC谐振同路寄生电阻g所消耗的能量，以维持振荡。有源器件一般可用MOS对管构成的负阻实现，为确保振荡，需满足条件

其中，αg为增益裕度系数，典型值取2～3。gtank为LC谐振回路等效导纳，gactive为负阻导纳，且有

交叉耦合MOS管跨导可表示为

相对单NMOS或PMOS交叉结构VCO而言，互补交叉结构VCO的输出波形更对称，噪声特性更好。因此本文选择互补交叉结构的VCO，电路拓扑结构如图1所示。根据LC振荡器基本理论，该VCO的输出频率为

其中，Ctotal为VCO的总电容值，包括固定电容Cfix、可变电容Cv，以及寄生电容Cp(电感L、交叉耦合MOS管和后级电路的寄生电容)，调谐电压Vtune控制Cv，使VCO输出频率厂f0随Vtune的变化而变化。