RFID技术中的基于积累型MOS变容管的射频压控振荡器设计(图)

引言
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。
MOS变容管
将MOS晶体管的漏，源和衬底短接便可成为一个简单的MOS电容，其电容值随栅极与衬底之间的电压VBG变化而变化。在PMOS电容中，反型载流子沟道在VBG大于阈值电压绝对值时建立， 射频识别技术（RFID）在现代通信领域中扮演着重要的角色，而射频压控振荡器（VCO）是RFID系统的核心组件之一。VCO的主要功能是产生可调频率的射频信号，其性能直接影响RFID系统的稳定性和效率。在RFID技术中的VCO设计中，传统上常使用反向偏压的变容二极管作为压控元件，但由于实际工艺限制，变容二极管的品质因数低，导致电路性能受到影响。 为解决这一问题，人们开始探索使用CMOS工艺实现的替代器件，MOS变容管应运而生。MOS变容管是通过将MOS晶体管的漏极、源极和衬底短接，形成一个电容，其电容值可以根据栅极与衬底间的电压VBG的变化而改变。在PMOS变容管中，当VBG超过阈值电压的绝对值时，反型载流子沟道建立，从而改变电容值。当VBG远大于阈值电压时，PMOS工作在强反型区域，此时电容值接近氧化层电容Cox。 MOS变容管的工作状态包括强反型区、中反型区、弱反型区、耗尽区和积累区。在积累区，当栅电压VG大于衬底电压VB时，电容工作在正电压下，允许电子自由移动，电容值相应增大。在不同的工作区域内，电容值和沟道电阻都会发生变化，影响VCO的性能。 为了获得单调的调谐特性，有两种策略可以采用。一是避免MOS晶体管进入积累区，通常通过将衬底与电源电压Vdd短接来实现。另一种方法是使用只在耗尽区和积累区工作的MOS器件，以获得更宽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变容管通过消除空穴注入沟道来实现，这可以通过移除漏源结的p+掺杂并添加n+掺杂的衬底接触来达成。 在设计VCO电路时，采用对称CMOS结构可以减小电位变化对变容管电容值的影响，提高频谱纯度。电感的匹配也很关键，通常采用双电感对称连接。由于集成电感和MOS变容管的损耗，需要较大的负跨导来维持振荡，确保等效负跨导的绝对值大于维持等幅振荡所需的跨导。 基于积累型MOS变容管的射频压控振荡器设计是RFID技术中提高性能和效率的一种创新方法。它利用CMOS工艺的优势，解决了传统变容二极管的局限性，为RFID系统提供了更优的射频信号源。通过精细的设计和仿真，可以优化VCO性能，提升整个RFID系统的可靠性和效率。