超寬帶壓控振蕩器電路的設計

基于多頻段一體化通信、雷達無線電跳頻通信以及短波通信系統對低噪聲、大帶寬等性能的需求， 提出了一種低相噪、低功耗、片上面積小、超寬帶的壓控振蕩器電路結構。雙核 VCO 的結構覆蓋了 12GHz-24GHz 的超寬帶正交頻率輸出范圍，采用 CMOS 工藝庫進行了設計仿真和版圖設計，版圖設 計面積為 0.4mm×0.65 mm。仿真結果表明，寬帶壓控振蕩器在 TT 工藝角下的調諧頻率能覆蓋 11.79~25.15GHz 的超寬范圍，24GHz 工作頻率下，1MHz 頻偏處相位噪聲能達到 -100dBc/Hz，且電路 總功耗不超過 33mW。

無線通信系統對收發機通信速度，和工作帶寬 以及高精度頻率源、頻率穩定度是正相關的，帶寬越 大則通信速度越寬。為了提高通信的保密性、抗干擾 性，以跳頻通信為主的擴頻通信方式，可以有效規避 掉某些頻點上的干擾信號帶來的影響，從而保證通 信系統的可靠性運行。而擴頻系統的工作，除了對穩 定度、噪聲等性能的要求，足夠寬的調諧帶寬也是首 要特點。 作為頻率合成器的關鍵電路及重要組成部分的 壓控振蕩器，對整個收發系統的性能有著至關重要 的影響。壓控振蕩器的高穩定度、低相位噪聲，大調 諧帶寬、低功耗以及小片上面積[1]，使得越來越多的 工程師為之付出不懈的努力，也必將成為未來對頻 率源的研究的趨勢。

整體架構

一種用于為頻率綜合器[2] 提供高至 12GHz 的 LO 正交輸出的壓控振蕩器解決方案。為 了覆蓋到 12GHz 的 LO 正交輸出，壓控振蕩器設計結 構需要能夠滿足 12GHz~24GHz 的頻率調諧范圍[3]， 同時配合頻率綜合器上的輸出級分頻驅動器，可使 頻率綜合器能為后級收發機混頻器高至 12GHz[4]，低 頻能覆蓋至 20MHz 的本振輸出。 為了實現不低于 60%的寬帶頻率調諧范圍 （Frequency Tuning Range）[5]，整體架構采用了雙核 （Dual-core）VCO 的結構（如圖 1 所示）。

其中，高頻 段 VCO 核覆蓋了 18GHz~24GHz 的頻率范圍區間， 低頻段 VCO 核覆蓋了 12GHz~18GHz 的頻率范圍區間，兩段區間配合適當的頻率交疊范圍，確保避免 頻率空擋的出現，從而有效保證了頻率調諧范圍的 連續性。 VCO 架構采用了 NMOS-Only Class-B 架構，能 有效的共享偏置電流，拓寬啟動裕度，降低不平衡 度。同時擺幅輸出的最大化，在降低高頻分頻器的 設計難度的同時還能獲得更為優異的相位噪聲性能。每個 VCO core 結構中都包含 9bit 開關電容 陣列和 2bit 的變容管陣列，VCO 能夠根據當前的諧 振頻率來調節變容管的接入數量、削弱 Kvco 變化、 降低 AM-PM 相位噪聲的轉化、以及保證環路特性 的穩定[9，11]。當使能 VCO bias 以及 VCO Buffer 時，可 進行頻段的切換，此時 VCO_Buffer 中的電容值可自 動調整，進而改變峰值頻率，拓展帶寬。

壓控振蕩器的電路設計

VCO 的整體結構共包含了 VCO_CORE, VCO_ VTUNE_BIAS, VCO_BUF_IBIAS, LOOP_SW, VCO_ Cwords_MUX, VCO_BUF 等模塊，部分功能模塊如圖 2 標注所示。

VCO_CORE（如圖 3 所示）為 VCO 的核心。其中， 高頻 VCO core 覆蓋了 18GHz~24GHz 的頻率范圍，低 頻 VCO core 則覆蓋了 12GHz~18GHz 的頻率范圍，雙 核共同覆蓋了 12GHz ~24GHz 的頻率調諧范圍； VCO_VTUNE_BIAS 模塊為可變電容提供了偏置； VCO_BUF_IBIAS 為 VCO 的 buffer 提供電流偏置； LOOP_SW 用于 AFC 自動頻率控制模塊工作時候控制 環路的開斷；VCO_Cwords_MUX 用于在 AFC 和外接 寄存器控制中 VCO_cwords 控制選擇電容線的信號。