1.9～5.7GHz宽带低噪声BiCMOSLCVCO
刘建峰，成立，杨宁，周洋，凌新，严鸣
(1．江苏大学 电气与信息工程学院，江苏镇江 212013；2．南通职业大学电子工程系，江苏 南通 226007；3．镇江市312国道管理站，江苏 镇江 212001)
0 引言
随着无线通信事业的飞速发展，产生了多种通信技术标准，诸如Bluetooth，GSM，WiFi，ZigBee等，通信频率也从数百兆赫到数千兆赫不等。从应用成本和性能角度来看，由于调谐范围宽、可靠性高的射频(RF)芯片具有广泛的使用价值，所以是当前无线通信系统的设计热点之一。而作为无线RF收发芯片的核心部件的压控振荡器(VCO)，其性能好坏直接关系着RF芯片的质量。因此，多标准的通信技术对VCO提出高性能要求：获得更宽的调谐范围和更低的相位噪声(Nphase)。文献[1]介绍了一种增益可调节的CMOSLC VCO，但调节范围只有4.39～5.26 GHz，功耗为9.7 mW，在1 MHz偏频处Nphase为-113.7 dBc／Hz。文献[2]设计了一种采用正交耦合结构的CMOSVCO，其调谐范围也仅为3.6～4.9 GHz，功耗为8 mW，在1 MHz偏频处Nphase为-114 dBc／Hz。为了解决上述文献带宽较窄、Nphase值偏高的缺陷，特设计了一款0.35μm SiGe BiCMOS差分LC VCO。
1 LC VCO电路设计
1.1 低Nphase值VCO的设计方案
Nphase值是VCO电路的一项重要性能指标，通常定义为给定频率处1 Hz带宽内的噪声信号功率与输出信号总功率之比。在实际分析时常使用经典的D．B．Leeson的相位噪声L(Δω)计算式
式中：F为经验系数，不同的工艺有相应的取值范围；k为玻尔兹曼常数；T为Kelvin温度；Ps为信号功率；Δω为偏离频率，Δω1／f3为振荡器中有源器件的闪烁噪声角频率；ω0为振荡信号角频率；QL为LC谐振腔品质因数。Nphase主要由热噪声(thermal noise)和闪烁噪声(flicker noise)组成，闪烁噪声与VCO信号波形的对称性有关，可通过设计信号摆幅对称的VCO来改善闪烁噪声，以减少对Nphase的影响，采用差分结构可使得输出波形完全对称。由式(1)知，VCO的Nphase与QL的平方成反比的关系，当LC谐振腔的品质因数增加时，就增强了对谐振频率的选择性，使谐振点处频谱曲线变得更加尖锐，这就抑制了外部电路对VCO的Nphase的影响。要求设计时尽可能使用高Q值的片上电感。而基于微电子机械系统(MEMS)技术的片上螺旋电感，由于它采用降低损耗衬垫、减小金属线圈损耗和构造三维立体结构等新技术，电感性能要优于传统的片上电感，同时Q值也得以提高，且其体积小、功耗低、易于片内集成。
表1为平面螺旋电感与MEMS多层螺旋电感性能对比，从表中可以看出，电感量相当的两种工艺方法，MEMS多层螺旋电感在更低的工频下具有较高的Q值。采用HFSS器件软件设计工具对电感进行了建模仿真，获得该电感在4.0 GHz时的电感值L≈1.04 nH，Q≈11.3。现代通信系统要求VCO具有更高的频率，这样对VCO在更高频率处的Nphase值要求就更高，其频率一般高于VCO的拐角频率，会导致热噪声成为Nphase值的主要来源。VCO电路中热噪声主要与尾电流有关，尾电流增大，热噪声会随之增加，反之则减小，但一味地减小尾电流将使电路输出信号摆幅过小，甚至造成电路工作不稳定，以致停振。因此设计
