基于电流复用技术的低功耗正交信号VCO

针对低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy，BLE）正交上/下变频收发机，实现了一种低功耗的正交信号产生器。相比传统电流复用技术VCO，增加尾电流源以降低平均电流损耗，同时确保相位噪声满足指标要求。基于TSMC 0.18 μm标准CMOS工艺的仿真结果表明，正交信号频率为849.7 MHz时，在偏移中心频率1 MHz时的相位噪声为-126 dBc/Hz；在1.8 V电源电压下仅消耗1.05 mA电流，FoM值为182 dBc。经过二分频后的正交信号总体频率范围是783~866 MHz，整体版图面积为0.38 mm2。相位噪声和频率范围满足BLE指标要求，对其他低功耗射频应用具有指导意义。 本文介绍了一种基于电流复用技术的低功耗正交信号电压控制振荡器（VCO），特别适用于低功耗蓝牙（BLE）正交上/下变频收发机。传统电流复用技术的VCO在降低平均电流损耗方面存在局限，而本文的设计通过增加尾电流源来解决这一问题，同时保持了所需的相位噪声性能。 在频率合成器中，VCO是关键组件，其功耗直接影响整个系统的能耗。正交信号在正交变频过程中起到关键作用，常见生成方法有无源多相网络、双VCO耦合和VCO后置二分频器。这些方法各有优缺点，例如无源多相网络需要精确匹配，双VCO耦合会增加面积，而VCO后置二分频器则会增加功耗。 电流复用技术已经成为降低电路功耗的有效手段。文献中提到的电流复用VCO设计，如通过VCO与接收机或二分频器的电流复用，实现了低功耗输出。但某些设计引入变压器或采用特殊的晶体管结构，可能增加成本或导致稳定性问题。例如，变压器会增加芯片面积，而使用PMOS负阻对或NMOS VCO的交流信号可能会引入相位噪声问题，或者需要复杂的衬底偏置技术来保证稳定工作。 本文提出的解决方案是在0.18微米TSMC标准CMOS工艺下，采用NMOS VCO与二分频器的堆叠结构，实现电流复用，同时利用尾电流源来降低平均电流损耗。这种设计减少了中间节点Vmid的接地电容，有助于提高效率。电路仿真结果显示，在1.8 V电源电压下，VCO在849.7 MHz频率下产生正交信号，相位噪声为-126 dBc/Hz@1 MHz，电流消耗仅为1.05 mA，频率范围为783~866 MHz，面积为0.38 mm²，满足BLE标准要求，并对其他低功耗射频应用具有参考价值。 电路设计部分详细阐述了VCO电路结构，由NMOS负阻对和LC谐振网络组成，二分频器则作为VCO的尾电流源，通过外部电流镜提供的偏置电压Vb1和Vb2以及尾电流源管M13来控制电流。这种设计降低了对VCO谐振网络的影响，从而降低了相位噪声并优化了功耗。 本文提出了一种创新的低功耗正交信号VCO设计，通过电流复用技术和尾电流源优化，实现了高性能与低功耗的平衡，对低功耗蓝牙和其他射频应用具有重要的实际应用意义。