超宽带压控振荡器电路的设计

基于多频段一体化通信、雷达无线电跳频通信以及短波通信系统对低噪声、大带宽等性能的需求， 提出了一种低相噪、低功耗、片上面积小、超宽带的压控振荡器电路结构。双核 VCO 的结构覆盖了 12GHz-24GHz 的超宽带正交频率输出范围，采用 CMOS 工艺库进行了设计仿真和版图设计，版图设 计面积为 0.4mm×0.65 mm。仿真结果表明，宽带压控振荡器在 TT 工艺角下的调谐频率能覆盖 11.79~25.15GHz 的超宽范围，24GHz 工作频率下，1MHz 频偏处相位噪声能达到 -100dBc/Hz，且电路 总功耗不超过 33mW。

无线通信系统对收发机通信速度，和工作带宽 以及高精度频率源、频率稳定度是正相关的，带宽越 大则通信速度越宽。为了提高通信的保密性、抗干扰 性，以跳频通信为主的扩频通信方式，可以有效规避 掉某些频点上的干扰信号带来的影响，从而保证通 信系统的可靠性运行。而扩频系统的工作，除了对稳 定度、噪声等性能的要求，足够宽的调谐带宽也是首 要特点。 作为频率合成器的关键电路及重要组成部分的 压控振荡器，对整个收发系统的性能有着至关重要 的影响。压控振荡器的高稳定度、低相位噪声，大调 谐带宽、低功耗以及小片上面积[1]，使得越来越多的 工程师为之付出不懈的努力，也必将成为未来对频 率源的研究的趋势。

整体架构

一种用于为频率综合器[2] 提供高至 12GHz 的 LO 正交输出的压控振荡器解决方案。为 了覆盖到 12GHz 的 LO 正交输出，压控振荡器设计结 构需要能够满足 12GHz~24GHz 的频率调谐范围[3]， 同时配合频率综合器上的输出级分频驱动器，可使 频率综合器能为后级收发机混频器高至 12GHz[4]，低 频能覆盖至 20MHz 的本振输出。 为了实现不低于 60%的宽带频率调谐范围 （Frequency Tuning Range）[5]，整体架构采用了双核 （Dual-core）VCO 的结构（如图 1 所示）。

其中，高频 段 VCO 核覆盖了 18GHz~24GHz 的频率范围区间， 低频段 VCO 核覆盖了 12GHz~18GHz 的频率范围区间，两段区间配合适当的频率交叠范围，确保避免 频率空挡的出现，从而有效保证了频率调谐范围的 连续性。 VCO 架构采用了 NMOS-Only Class-B 架构，能 有效的共享偏置电流，拓宽启动裕度，降低不平衡 度。同时摆幅输出的最大化，在降低高频分频器的 设计难度的同时还能获得更为优异的相位噪声性能。每个 VCO core 结构中都包含 9bit 开关电容 阵列和 2bit 的变容管阵列，VCO 能够根据当前的谐 振频率来调节变容管的接入数量、削弱 Kvco 变化、 降低 AM-PM 相位噪声的转化、以及保证环路特性 的稳定[9，11]。当使能 VCO bias 以及 VCO Buffer 时，可 进行频段的切换，此时 VCO_Buffer 中的电容值可自 动调整，进而改变峰值频率，拓展带宽。

压控振荡器的电路设计

VCO 的整体结构共包含了 VCO_CORE, VCO_ VTUNE_BIAS, VCO_BUF_IBIAS, LOOP_SW, VCO_ Cwords_MUX, VCO_BUF 等模块，部分功能模块如图 2 标注所示。

VCO_CORE（如图 3 所示）为 VCO 的核心。其中， 高频 VCO core 覆盖了 18GHz~24GHz 的频率范围，低 频 VCO core 则覆盖了 12GHz~18GHz 的频率范围，双 核共同覆盖了 12GHz ~24GHz 的频率调谐范围； VCO_VTUNE_BIAS 模块为可变电容提供了偏置； VCO_BUF_IBIAS 为 VCO 的 buffer 提供电流偏置； LOOP_SW 用于 AFC 自动频率控制模块工作时候控制 环路的开断；VCO_Cwords_MUX 用于在 AFC 和外接 寄存器控制中 VCO_cwords 控制选择电容线的信号。