论文研究-低功耗GHz VCO设计 .pdf

### VCO电路的低功耗设计要点 #### 1. VCO的定义和重要性 压控振荡器（VCO）是无线通信和光纤通信系统中的核心组件，特别是在PLL（锁相环）、时钟恢复电路和频率综合器中扮演着至关重要的角色。VCO的主要性能指标包括中心频率、频率调节范围、频率稳定度、电压-频率转换线性度、相位噪声、输出振幅、功耗等。 #### 2. VCO的研究趋势 VCO的研究趋势集中在降低其相位噪声、功耗、频率稳定性和操作电压上。当前，LC谐振网络VCO普遍使用CMOS工艺，并且越来越多的研究者开始关注在CMOS工艺下设计低功耗、低噪声、具有宽频率调谐范围的差分耦合VCO。 #### 3. VCO的基本电路结构 VCO的基本电路结构一般包括振荡器核心、选频谐振网络和反馈网络。LC电路结构在选频谐振网络中设置为有源或无源放大器网络的负载。为了补偿LC谐振网络中的能量损耗，通常需要产生负阻抗。在实际LCVCO中，通过有源器件产生负阻抗来补偿集成电感和可变电容的功率损耗，这种负阻抗可以通过差分对管组成的反馈电路来实现。 #### 4. 负阻差分振荡器的设计 负阻差分振荡器通常由两对互补交叉耦合管对构成，这样的结构可以为电感提供负阻抗。两个PMOS和两个NMOS管分别串联在各自支路，并工作在饱和区。通过尺寸对称优化的NMOS与PMOS管，可以进一步优化电路性能。 #### 5. VCO的起振条件和实现方法 所有振荡器的核心在于某个特定频率上实现正反馈的环路。振荡的条件是满足Barkhausen判据，即振荡条件为放大单元的传递函数乘以正反馈单元的传递函数等于1，并且相位偏移为2π的整数倍。在稳定振荡时，环路增益等于1，但在起振时环路增益必须大于1。 #### 6. 低功耗GHz VCO设计的实例 在文中提供的实例中，设计了一个目标中心振荡频率为2.38GHz的LC压控振荡器。该VCO采用CSMC 0.5um工艺，使用Cadence公司Virtuoso仿真工具，并以片上螺旋电感和MOS管可变电容组成谐振网络。该VCO的功耗低，同时满足DCS-1800标准的相位噪声要求，并有8%的调谐范围。 #### 7. 设计中的技术细节 电路设计中包括电源电压为5V，使用互补交叉耦合对结构来提供负阻抗，确保振荡器可以在低功耗状态下工作。此外，通过使用相位噪声、调谐范围和频率稳定性等参数的分析，证明了设计的VCO电路不仅功耗低，而且具有良好的性能指标。 #### 8. 结论 设计并实现了一款低功耗的GHz频率范围内的VCO电路，该电路采用负阻差分振荡器的基本结构，通过仿真验证了其在保持低功耗的同时，具有良好的频率稳定性和较低的相位噪声。这为未来无线通信系统中低功耗高性能VCO的设计提供了新的思路和技术参考。