新型MOS变容管的射频振荡器设计

随着移动通信技术的发展，射频(RF)电路的研究引起了广泛的重视。采用标准CMOS工艺实现压控振荡器(VCO),是实现RF CMOS集成收发机的关键。过去的VCO电路大多采用反向偏压的变容二极管作为压控器件，然而在用实际工艺实现电路时，会发现变容二极管的品质因数通常都很小，这将影响到电路的性能。于是，人们便尝试采用其它可以用CMOS工艺实现的器件来代替一般的变容二极管，MOS变容管便应运而生了。 【新型MOS变容管的射频振荡器设计】是现代移动通信技术中的关键环节，因为射频（RF）电路对于实现高效的RF CMOS集成收发机至关重要。传统的压控振荡器（VCO）通常依赖于反向偏压的变容二极管作为压控元件，但这种二极管的品质因数低，限制了电路性能。为了解决这个问题，研究者们发展了MOS变容管。 MOS变容管是通过将MOS晶体管的漏极、源极和衬底短接形成的一种新型电容，其电容值能够根据栅极与衬底之间的电压VBG变化而改变。在PMOS电容中，当VBG大于阈值电压绝对值时，电容工作在强反型区域，而在VG大于衬底电压VB时，电容工作在积累区。在这个过程中，栅氧化层与半导体之间的界面电压为正，允许电子自由移动，导致电容值增大。在不同的工作区域内，电容值会有变化，这主要由耗尽区域电容Cb和界面电容Ci共同决定。 在设计中，有两种主要类型的MOS变容管：反型和积累型。反型MOS变容管工作在强、中和弱反型区，不进入积累区，因此具有较宽的调谐范围。而积累型MOS变容管通过抑制空穴注入，仅工作在耗尽区和积累区，这提供了更大的调谐范围和更低的寄生电阻，从而提高品质因数。积累型MOS变容管的制作可以通过去除漏源结的p掺杂，用n掺杂衬底接触来实现，这降低了寄生电阻且无需额外的工艺流程。 在VCO的电路设计中，通常采用对称CMOS结构，以减少振荡时电位变化对变容管电容值的影响，提高频谱纯度。电感需要与变容管匹配，并且使用大型的片内集成电感和积累型MOS变容管组成的LC振荡回路，尽管损耗较高，但通过增大负跨导可以维持振荡。为了保证起振和等幅振荡，耦合晶体管需要较大的宽长比，但这也带来了更大的寄生效应。设计通常基于特定的半导体工艺，例如TSMC的0.35μm锗硅射频工艺模型PDK，使用三层金属构造平面螺旋八边形电感。 在实际应用中，VCO的振荡频率取决于选取的电感值和变容管的电容调谐范围。通过优化这些参数，可以设计出满足特定需求的高性能射频振荡器，服务于现代通信系统。