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0 引言
隨著寬帶無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展和市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，802.11a標(biāo)準(zhǔn)的5 GHz無(wú)線射頻頻段以其數(shù)據(jù)傳輸速率快、信號(hào)質(zhì)量好、干擾小等優(yōu)點(diǎn)得到了越來(lái)越廣泛的推廣；隨著CMOS工藝的進(jìn)步．使其生產(chǎn)出的高集成度、低價(jià)、低功耗射頻芯片比砷化鎵工藝或雙極性硅工藝的芯片具有明顯的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，而壓控振蕩器(VCO)是射頻通信系統(tǒng)中非常重要的組成元件之一。它主要應(yīng)用于鎖相環(huán)路和頻率合成器中來(lái)實(shí)現(xiàn)精確的參考頻率，對(duì)通信系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。本文用先進(jìn)的0．18μm CMOS工藝設(shè)計(jì)了一個(gè)工作在802．11a標(biāo)準(zhǔn)的振蕩器。
1 振蕩器原理
振蕩器是把直流電流轉(zhuǎn)換為周期變化的電壓信號(hào)的電路，主要分為環(huán)形振蕩器和電感電容振蕩器。環(huán)形振蕩器有較大的協(xié)調(diào)范圍，易于集成而且占用面積小，但是環(huán)形振蕩器的工作頻率較低，且相位噪聲差，影響了它在射頻領(lǐng)域的應(yīng)用。因?yàn)楸疚乃O(shè)計(jì)的振蕩器頻率要達(dá)到802．11a標(biāo)準(zhǔn)的5 GHz頻段，已經(jīng)達(dá)到射頻級(jí)別，所以本文采用電感電容振蕩器。
1．1 LC振蕩器基本原理
最基本的LC振蕩器由三部分組成，電感變?nèi)莨堋㈦姼泻脱a(bǔ)償無(wú)源器件損耗的負(fù)阻，結(jié)構(gòu)如圖1所示。
如果忽略振蕩電路的晶體管寄生電容對(duì)振蕩頻率的影響，那么LC振蕩器的頻率表達(dá)式為：
根據(jù)公式(1)，改變LC就可以改變振蕩器的頻率。
1．2 平面螺旋電感
由(1)式可以看出，在射頻電路里，電感是最重要的參數(shù)。選用高Q值電感可以降低損耗，使振蕩器在較小的跨導(dǎo)也可起振，這樣就降低了起振的門檻。另外高Q值電感可以降低振蕩器的相位噪聲。在CMOS工藝中有兩種電感可以選擇，一種是鍵合線電感，另外一種是平面螺旋電感。由于圖形對(duì)稱良好的電感可以減少寄生電阻和寄生電容，減小電感消耗的能量，可以提供高Q值，因此本設(shè)計(jì)采用的是平面螺旋電感。
1．3 變?nèi)荻䴓O管的選取
CMOS工藝中可以制作兩類類型的變?nèi)莨埽鹤內(nèi)荻䴓O管(JV)和MOS變?nèi)荻䴓O管。下面分別介紹之。
1．3．1 變?nèi)荻䴓O管(JV)
變?nèi)荻䴓O管等效電路如圖2所示。
其中Rc代表二極管的串聯(lián)電阻，它主要是由于N阱材料的電阻率很高而形成的。另外N阱與襯底呈現(xiàn)相當(dāng)大的電容，用Cn表示。在實(shí)際制作過(guò)程中可以用N+阱環(huán)繞P+阱，那樣會(huì)使流經(jīng)電容的電流有四個(gè)方向而得到較低的串聯(lián)電阻值。反偏二極管的電容和電壓的關(guān)系可用下式表示：
C0是外加電壓為零時(shí)二極管的電容值，φ是結(jié)兩邊半導(dǎo)體的接觸電勢(shì)差，VR為控制電壓。m是二極管電容的非線性系數(shù)，它和結(jié)兩邊的摻雜濃度的分布有關(guān)系，一般m的值在0.03～0.04之間。
1．3．2 MOS變?nèi)莨?/p>
MOS變?nèi)莨苁前哑胀ǖ腗OS晶體管的源極(S)，漏極(D)以及襯底(B)連接起來(lái)，即B=D=S，使它變成一個(gè)兩端器件，就可以把它看成電容。電容的大小受柵極電壓(G)和襯底電壓控制。
由式(2)就可以推導(dǎo)出MOS電容為：
由式(3)可以看出MOS電容和氧化層與硅之間的電容Cax，硅感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電容CS有關(guān)。
1．3．3 可變電容的性能參數(shù)
可變電容的參數(shù)對(duì)LC壓控振蕩器性能影響顯著，譬如可變電容比、品質(zhì)因數(shù)Q和截止頻率fT都是很關(guān)鍵的參數(shù)�？勺冸娙菰谕饧与妷旱恼{(diào)節(jié)下電容發(fā)生變化，設(shè)Cmax，Cmin為它變化的最大最小電容。可變電容μ=Cmax/Cmin，由此可以看出可變電容比越大，振蕩器可以調(diào)節(jié)的頻率范圍也就越大。有時(shí)候可用電容調(diào)制系數(shù)γ來(lái)表示變?nèi)莨艿南鄬?duì)變化量；
γ越大，可實(shí)現(xiàn)的頻率調(diào)節(jié)范圍就越寬。電容的品質(zhì)因數(shù)表示了電容在一個(gè)振蕩周期存儲(chǔ)的能量和消耗的能量的比值，可以用式Q=l／2πfCR3表示。f是它的工作頻率，R3是它的串聯(lián)電阻。一般情況下Q和工作的頻率有關(guān)，所以在說(shuō)變?nèi)莨艿腝值時(shí)，必須指明它工作的頻率。
通常定義使Q等于1的頻率為變?nèi)莨艿慕刂诡l率，此時(shí)f=1／2πCR3截止頻率決定了變?nèi)莨艿墓ぷ魃舷蓿话闼墓ぷ黝l率要遠(yuǎn)小于截止頻率fT。
在本論文所選用的0.18μm CMOS工藝中，可變電容有兩種，因?yàn)樽內(nèi)荻䴓O管存在著導(dǎo)通電壓的問(wèn)題，所以我選用了變?nèi)軲OS管。MOS變?nèi)莨芊譃镻MOS和NMOS，因?yàn)楹蚇MOS管相比PMOS變?nèi)莨芫哂幸r底噪聲小，品質(zhì)因數(shù)大，閃爍噪聲小的優(yōu)勢(shì)，所以，本振蕩器選擇的是PMOS可變電容。在這里本文根據(jù)各方面綜合因素考慮最終選取電容為指數(shù)為12，長(zhǎng)為10μm，寬為0.5μm的電容，最小電容值0.25 pF，最大電容值0.6 pF，可調(diào)范圍為0.35 pF。
