全集成低相位噪声LC 压控振荡器设计

1、2.4GHz Monolithically Integrated Low Phase Noise LC Voltage ControlledOscillatorLIU Yingyi, WANG Zhigong, QIAN Zhaohua（Institute of RF- & OE-ICs, Southeast University, Nanjing 210096, China）Abstract： A monolithically integrated low phase noise LC voltage controlled oscillator (VCO) in an ISM ban

2、d is presented. It is designed in TSMCs 0.18-m mixed-signal 1P6M CMOS process. The layout size is 740m×700m. With a 1.8V supply voltage, the post-simulation gives a phase noise of -124.2dBc/Hz at 1MHz off the carrier of 2.4GHz. The percent tuning range is 23% and the core circuit dissipated a p

3、ower of about 7.56mW. Keywords: Voltage controlled oscillator, On-chip inductor, Quality factor, Phase noise, CMOS process全集成低相位噪声LC压控振荡器设计刘颖异，王志功，钱照华（东南大学射频集成电路与系统教育部工程研究中心，江苏南京 210096）摘要：提出了一种应用于ISM频段的低相位噪声LC VCO。电路采用TSMC 0.18m 1P6M混合信号CMOS工艺进行设计，芯片版图面积740m×700m。在电源电压为1.8V时，后仿真结果表明，电路工作频率为2.4

4、GHz时，调谐范围为23%。在偏离中心频率1MHz处，相位噪声为-124.2dBc/Hz。核心部分功耗约为7.56mW。关键字：压控振荡器、片上电感、Q值、相位噪声、CMOS工艺1. 引言由于CMOS工艺的截止频率已经达50GHz以上。同时，CMOS工艺具有便于集成和低成本的特点，片上电感的Q值已经可达10以上。这些条件使得CMOS工艺的全集成高性能LC压控振荡器（VCO）成为可能。本研究在Cadence平台上利用Spectre工具完成一个LC VCO的前后仿真。仿真结果表明电路中心频率为2.22GHz，调谐范围为23%。在偏离中心频率1MHz处，相位噪声为-129.5dBc/Hz。2. 电路

5、设计目前，应用最广泛的振荡器主要有两种，环形振荡器和LC调谐振荡器。其中LC调谐振荡器具有较好的相位噪声特性，交叉耦合振荡器属于LC调谐振荡器的一种，它不但具有良好的相位噪声特性，而且可以输出正交的正弦信号。交叉耦合振荡器一般有两种结构，NMOS交叉耦合结构和NMOS-PMOS交叉耦合结构。相对于NMOS交叉耦合结构，NMOS-PMOS交叉耦合结构具有更大的输出电压幅度、较小的功耗和更小的1/f 3噪声拐点。但是，由于NMOS-PMOS结构具有三层MOS管，在输出电压摆幅最大时，作为尾电流源的MOS管可能会进入线性区，这样就极大地限制了这种结构的输出电压摆幅3。因为采用最大的输出电压幅度可以得到最大的信噪比2，所以本研究采用电阻取代MOS管作为尾电流源，电路如图1所示。图1 NMOS-PMOS交叉耦合结构VCO图1中，M1M4构成电路核心部分，C1C2为MOS可变电容，C3C4为MIM固定电容，M5M8构成缓冲电路，Vcon为控制电压，Vout1和Vout2可构成两路单端输出或一路差动输出。2.1 片上电感2FTL()=10logPsig21/f301+1+2Q (1) （F为经验参数）可知，要得到最小的相位噪声，应该采用高Q值的片上电