0 引言

    頻率合成器是射頻收發(fā)機(jī)的重要模塊，其中的壓控振蕩器（Voltage Controlled Oscillator，VCO）和分頻器工作在整個(gè)電路的最高頻率，是頻率合成器的主要功耗來(lái)源，因此，頻率合成器設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)之一就是降低VCO和分頻器的功耗。VCO主要用于產(chǎn)生穩(wěn)定的射頻信號(hào)，其中正交信號(hào)在正交上/下變頻的收發(fā)機(jī)中至關(guān)重要，常見(jiàn)的正交信號(hào)產(chǎn)生方式包括無(wú)源多相網(wǎng)絡(luò)、雙VCO耦合、VCO后置二分頻電路^[1]。無(wú)源多相網(wǎng)絡(luò)要求器件之間匹配并且輸入輸出間都要引入緩沖電路。雙VCO耦合產(chǎn)生正交信號(hào)會(huì)導(dǎo)致VCO面積直接增加將近一倍。而且耦合因子很大會(huì)導(dǎo)致VCO振蕩頻率偏移諧振狀態(tài)，影響諧振回路的品質(zhì)因子，導(dǎo)致相位噪聲惡化，但諧振因子太小會(huì)破壞信號(hào)的正交關(guān)系。VCO后置二分頻器的面積較小，輸出信號(hào)的正交性較好，但是二分頻器會(huì)工作在VCO振蕩頻率，因此會(huì)引入額外功耗。

    目前，通過(guò)電流復(fù)用技術(shù)降低電路功耗已經(jīng)得到了廣泛使用，在文獻(xiàn)[2]中實(shí)現(xiàn)VCO和接收機(jī)電路的電流復(fù)用，整體電路僅消耗1 mA電流。與此類似，文獻(xiàn)[3]通過(guò)實(shí)現(xiàn)Colpitts VCO和二分頻器的電流復(fù)用，輸出2.1～2.2 GHz正交信號(hào)時(shí)僅消耗2.8 mA。如果能夠?qū)崿F(xiàn)VCO和二分頻器的電流復(fù)用，就可以保證低功耗正交信號(hào)產(chǎn)生。

    文獻(xiàn)[4-6]通過(guò)變壓器反饋降低VCO的工作電壓，并且實(shí)現(xiàn)VCO和二分頻器的電流復(fù)用以降低功耗。但是引入變壓器會(huì)導(dǎo)致芯片面積急劇增大，增加生產(chǎn)成本。文獻(xiàn)[7]通過(guò)N-PMOS VCO中的PMOS負(fù)阻對(duì)實(shí)現(xiàn)和二分頻器的堆疊，PMOS負(fù)阻對(duì)同時(shí)作為二分頻器的開(kāi)關(guān)管存在。但是PMOS負(fù)阻對(duì)消耗一個(gè)約0.6 V閾值電壓，因此該結(jié)構(gòu)必須通過(guò)襯底偏置技術(shù)^[8]降低NOMS和PMOS負(fù)阻對(duì)的閾值電壓，否則在1.8 V電壓下難以穩(wěn)定工作。然而襯底偏置技術(shù)要求使用雙阱工藝，增加生產(chǎn)成本，而且該電路的工作電流是不穩(wěn)定的，這導(dǎo)致整個(gè)電路的工作點(diǎn)尤其是VCO和二分頻器的中間節(jié)點(diǎn)電壓V_mid會(huì)隨PVT變化出現(xiàn)劇烈波動(dòng)。文獻(xiàn)[9]中直接采用NMOS VCO的振蕩信號(hào)給二分頻器提供偏置，這雖然避免了偏置電路，但是二分頻器阻抗作為VCO諧振網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載存在，導(dǎo)致相位噪聲惡化，而且V_mid也會(huì)隨PVT變化出現(xiàn)劇烈波動(dòng)。文獻(xiàn)[10]中通過(guò)NMOS VCO的交流信號(hào)給二分頻器提供控制信號(hào)，避免了二分頻器對(duì)VCO諧振網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生負(fù)載；二分頻器的直流偏壓通過(guò)電流鏡提供。但是以上電路依舊消耗較大面積接地電容以維持中間節(jié)點(diǎn)V_mid的電壓穩(wěn)定，而且，電路的直流電流依舊會(huì)隨二分頻器的時(shí)鐘控制對(duì)的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)劇烈變化，導(dǎo)致消耗的平均電流很大。

    綜上討論，為了節(jié)省成本，本文采用通用的0.18 μm TSMC單阱工藝進(jìn)行正交信號(hào)電路設(shè)計(jì)，應(yīng)用場(chǎng)景為低功耗藍(lán)牙（Bluetooth Low Energy，BLE）滑動(dòng)中頻收發(fā)機(jī)，需要產(chǎn)生1.6 GHz信號(hào)和0.8 GHz正交信號(hào)，頻率覆蓋范圍為800~828 MHz，相位噪聲要求為-125 dBc/Hz@1 MHz，主要設(shè)計(jì)目標(biāo)為降低VCO和二分頻器的功耗。本設(shè)計(jì)通過(guò)NMOS VCO和二分頻器堆疊實(shí)現(xiàn)電流復(fù)用，并且論證了尾電流源對(duì)進(jìn)一步降低功耗的作用，同時(shí)中間節(jié)點(diǎn)V_mid的接地電容被進(jìn)一步降低。仿真結(jié)果表明，在電源電壓為1.8 V時(shí)實(shí)現(xiàn)的相位噪聲是-126 dBc/Hz@1 MHz，消耗電流1.05 mA。

1 電路設(shè)計(jì)

1.1 VCO電路

    本文采用的VCO和二分頻器電路結(jié)構(gòu)如圖1。通過(guò)NMOS VCO和二分頻器的簡(jiǎn)單堆疊實(shí)現(xiàn)電流復(fù)用以降低功耗，中間節(jié)點(diǎn)V_mid將電路分為VCO和二分頻器兩部分。VCO部分包括M1、M2構(gòu)成的負(fù)阻對(duì)和LC諧振網(wǎng)絡(luò)，使用NMOS負(fù)阻對(duì)可以最大程度降低VCO消耗的電壓。VCO下方是二分頻器，實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于VCO的尾電流源，V_b1和V_b2是由外部電流鏡提供的偏置電壓，V_b2和尾電流源管M13決定電路的整體電流。

    對(duì)二分頻器而言，無(wú)尾電流源管可以使偏置電路得到簡(jiǎn)化，并且電路的工作頻率進(jìn)一步提高，這是因?yàn)闀r(shí)鐘控制對(duì)M11、M12的反轉(zhuǎn)電流不受限制。但是，無(wú)尾電流源導(dǎo)致二分頻器狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時(shí)的電流波動(dòng)較大，這意味著平均有效電流增加，也就是功耗增加。同時(shí)，消除尾電流源管會(huì)降低VCO的低頻噪聲。事實(shí)上，BLE應(yīng)用中對(duì)二分頻器的工作頻率要求不高，在1.6~1.8 GHz之間即可；而且，增加尾電流源可以保證電路的DC電流工作點(diǎn)基本穩(wěn)定，電流圍繞靜態(tài)電流周期性波動(dòng)，波動(dòng)幅度較小，因此平均電流約為靜態(tài)電流。同時(shí)，增加尾電流源對(duì)于降低VCO對(duì)電源電壓的敏感度有重要意義。綜上所述，該電路相比文獻(xiàn)[6，7，10]增加了尾電流源管，使二分頻器反轉(zhuǎn)電流更為可控，有利于平均電流進(jìn)一步降低。

    可以看出，電路堆疊導(dǎo)致電源線之間的晶體管級(jí)數(shù)增加，因此有必要論證增加尾電流源管依舊可以使各級(jí)晶體管的電壓滿足正常工作的要求。電壓余度分析如下：VCO部分的最小電壓余度為V_tn，不包含尾電流源管時(shí)二分頻器部分的最小電壓余度是2V_ds+V_tn+I_ssR_ss/4，R_ss是二分頻器電阻，I_ssR_ss/4是二分頻器正交信號(hào)的擺幅。假設(shè)正交信號(hào)的擺幅為200 mV，V_ds取150~200 mV，V_tn取0.5 V，因此不包含尾電流源的最小電壓余度是1.5~1.6 V。由于電源電壓是1.8 V，所以增加尾電流源管依舊可以使電路穩(wěn)定工作。

    除共用電流外，VCO和二分頻電路可以看做獨(dú)立電路。外部電流鏡給二分頻器的時(shí)鐘控制對(duì)M11、M12和尾電流源管M13提供直流偏壓，這對(duì)于維持VCO和二分頻電路的直流工作點(diǎn)穩(wěn)定具有重要意義。一旦VCO和二分頻器的電流固定，為了保證兩級(jí)電路DC工作點(diǎn)的穩(wěn)定，只需要保證V_mid點(diǎn)的電壓穩(wěn)定即可，所以需要在V_mid點(diǎn)加接地電容。通過(guò)參數(shù)仿真選取符合要求的V_mid點(diǎn)電容的最小值，最終選擇的NMOS電容為10 pF，相對(duì)文獻(xiàn)[10]降低了58.3%。

    VCO諧振網(wǎng)絡(luò)輸出的交流信號(hào)通過(guò)電容耦合到二分頻器開(kāi)關(guān)管，保證二分頻器的正常分頻與正交信號(hào)產(chǎn)生。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的調(diào)諧增益和輸出頻率范圍，采用3 bit控制字調(diào)節(jié)電容陣列實(shí)現(xiàn)粗調(diào)諧，細(xì)調(diào)諧電壓V_tune范圍是0.4~1.4 V。

1.2 電感模型

    LC負(fù)阻振蕩器包含諧振電路和負(fù)阻對(duì)，兩者都對(duì)VCO的性能具有重要影響。根據(jù)Lesson提出的線性模型^[11]，振蕩器的相位噪聲L{Δw}如下：

其中，F(xiàn)是噪聲系數(shù)，P_sig是信號(hào)功率，Q_tank是諧振電路品質(zhì)因數(shù)。由于相位噪聲和Q_tank平方成反比，因此增大諧振電路品質(zhì)因數(shù)有利于改善相位噪聲。一般情況下，諧振電路的品質(zhì)因數(shù)約等于其中電感品質(zhì)的因數(shù)，因此電感的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。通過(guò)ASITIC軟件繪制差分電感，線寬為30 μm，線間隔為3 μm，內(nèi)徑為100 μm，圈數(shù)為3。然后在Momentum中進(jìn)行版圖S參數(shù)提取，最后根據(jù)提取到的S參數(shù)通過(guò)ADS軟件對(duì)電感電學(xué)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化擬合，優(yōu)化仿真中采用基于雙端口π模型^[1]的2π電感模型，如圖2。

    ADS優(yōu)化得到的電感模型S參數(shù)如圖3，在VCO振蕩頻率范圍內(nèi)（1.5~2.0 GHz）與版圖提取S參數(shù)基本相符。最終得到的差分電感電學(xué)模型參數(shù)已經(jīng)在圖2中給出，品質(zhì)因數(shù)是9.75@1.7 GHz。

2 仿真結(jié)果分析

    在Cadence Virtuoso中完成版圖繪制，VCO部分和二分頻器采用全對(duì)稱設(shè)計(jì)，并且使用Dummy晶體管和Dummy電阻減小制造誤差。采用TSMC 0.18 μm單阱工藝?yán)L制版圖，包含VCO、二分頻器、PAD、偏置電路和測(cè)試Buffer等的整體版圖如圖4，除PAD外，面積為0.38 mm²。

    采用1.8 V電源電壓進(jìn)行后仿，當(dāng)VCO諧振網(wǎng)絡(luò)的振蕩頻率為1.701 2 GHz時(shí)，二分頻器輸出正交信號(hào)以及VCO振蕩信號(hào)的瞬態(tài)波形如圖5、圖6所示，結(jié)果表明二分頻器可以實(shí)現(xiàn)正交性較好的信號(hào)輸出，在各個(gè)Corner和溫度下的信號(hào)幅度都大于200 mV，對(duì)應(yīng)頻率為850.6 MHz。VCO諧振網(wǎng)絡(luò)的輸出信號(hào)幅度為295 mV，可以滿足一級(jí)變頻的輸出信號(hào)要求。

    為了驗(yàn)證尾電流源管對(duì)電路總電流的影響，仿真得到流經(jīng)尾電流源管的瞬態(tài)電流，如圖7所示，電流在1.05 mA上下周期性波動(dòng)，波動(dòng)幅度為0.05 mA，相比無(wú)尾電流源的電流復(fù)用結(jié)構(gòu)波動(dòng)范圍較小，平均電流損耗降低。同時(shí)，雖然交流電容降低為10 pF，相對(duì)文獻(xiàn)[10]降低了58.3%，但是最終實(shí)現(xiàn)的中間節(jié)點(diǎn)V_mid的電壓基本穩(wěn)定在1.085 V，如圖8所示，這保證了VCO和二分頻器在電流復(fù)用狀態(tài)下的正常工作。

    針對(duì)3 bit電容陣列進(jìn)行鎖定頻率仿真，得到的調(diào)諧曲線如圖9，有效調(diào)諧電壓范圍為0.4~1.4 V，調(diào)諧頻率覆蓋783~866 MHz，單條調(diào)諧曲線頻率范圍約為17~18 MHz，保證了較好的頻率交疊。

    在1.8 V電源電壓下的仿真結(jié)果表明，當(dāng)輸出信號(hào)頻率為850.6 MHz時(shí)，消耗電流1.05 mA，1 MHz偏移處的相位噪聲為-126 dBc/Hz。信號(hào)的相位噪聲如圖10所示。

    將本文實(shí)現(xiàn)的電流復(fù)用VCO和文獻(xiàn)中的正交信號(hào)產(chǎn)生VCO進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1，其中FoM值公式如下：

結(jié)果表明，在1.8 V電壓下產(chǎn)生的850.6 MHz正交信號(hào)對(duì)應(yīng)的FoM值為182 dBc。相比采用相同工藝和電流復(fù)用技術(shù)的文獻(xiàn)[10]，本設(shè)計(jì)的FoM值提高了2 dB。FoM值得到改善的根本原因在于，本文對(duì)文獻(xiàn)[10]的改進(jìn)使電路功耗降低了約38.24%，同時(shí)相位噪聲性能基本保持不變，這對(duì)于低功耗藍(lán)牙應(yīng)用具有重要意義。

3 結(jié)束語(yǔ)

    在TSMC 0.18 μm工藝下實(shí)現(xiàn)了一個(gè)用于BLE射頻收發(fā)機(jī)的低功耗正交信號(hào)產(chǎn)生器，通過(guò)電流復(fù)用技術(shù)降低了VCO和二分頻器的整體功耗。仿真結(jié)果表明，在1.8 V電源電壓下僅消耗1.05 mA電流，對(duì)低功耗藍(lán)牙應(yīng)用具有重要意義。正交信號(hào)頻率為850.6 MHz時(shí)對(duì)應(yīng)的相位噪聲為-126 dBc/Hz@1MHz，F(xiàn)oM值約為182 dBc。二分頻器輸出的正交信號(hào)頻率范圍是783~866 MHz，覆蓋目標(biāo)頻率范圍，整體版圖面積為0.38 mm²。在維持相位噪聲滿足指標(biāo)要求的情況下，本設(shè)計(jì)對(duì)其他低功耗應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

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作者信息：

張頂頂1，2，3，張釗鋒1，3，廖友春1，2

(1.中國(guó)科學(xué)院 上海高等研究院，上海201210；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049；3.上?？萍即髮W(xué)，上海201210)