超寬帶壓控振蕩器電路設計的研究的趨勢

于多頻段一體化通信、雷達無線電跳頻通信以及短波通信系統對低噪聲、大帶寬等性能的需求，提出了一種低相噪、低功耗、片上面積小、超寬帶的壓控振蕩器電路結構。雙核 VCO 的結構覆蓋了12GHz-24GHz 的超寬帶正交頻率輸出范圍，采用CMOS工藝庫進行了設計仿真和版圖設計，版圖設計面積為 0.4mm×0.65 mm。仿真結果表明，寬帶壓控振蕩器在 TT 工藝角下的調諧頻率能覆蓋11.79~25.15GHz 的超寬范圍，24GHz 工作頻率下，1MHz 頻偏處相位噪聲能達到 -100dBc/Hz，且電路總功耗不超過33mW。

無線通信系統對收發機通信速度，和工作帶寬以及高精度頻率源、頻率穩定度是正相關的，帶寬越大則通信速度越寬。為了提高通信的保密性、抗干擾性，以跳頻通信為主的擴頻通信方式，可以有效規避掉某些頻點上的干擾號帶來的影響，從而保證通信系統的可靠性運行。而擴頻系統的工作，除了對穩定度、噪聲等性能的要求，足夠寬的調諧帶寬也是首要特點。作為頻率合成器的關鍵電路及重要組成部分的壓控振蕩器，對整個收發系統的性能有著至關重要的影響。壓控振蕩器的高穩定度、低相位噪聲，大調諧帶寬、低功耗以及小片上面積，使得越來越多的工程師為之付出不懈的努力，也必將成為未來對頻率源的研究的趨勢。

整體架構

一種用于為頻率綜合器 [2] 提供高至12GHz 的 LO 正交輸出的壓控振蕩器解決方案。為了覆蓋到 12GHz 的 LO 正交輸出，壓控振蕩器設計結構需要能夠滿足 12GHz~24GHz 的頻率調諧范圍，同時配合頻率綜合器上的輸出分頻驅動器，可使頻率綜合器能為后級收發機混頻器高至 12GHz[4]，低頻能覆蓋至 20MHz 的本振輸出。為了實現不低于60%的寬帶頻率調諧范圍（Frequency Tuning Range），整體架構采用了雙核（Dual-core）VCO 的結構（如圖 1 所示）。其中，高頻段 VCO 核覆蓋了 18GHz~24GHz 的頻率范圍區間，低頻段 VCO 核覆蓋了 12GHz~18GHz 的頻率范圍區間，兩段區間配合適當的頻率交疊范圍，確保避免頻率空擋的出現，從而有效保證了頻率調諧范圍的連續性。VCO 架構采用了 NMOS-Only Class-B 架構，能有效的共享偏置電流，拓寬啟動裕度，降低不平衡度。同時擺幅輸出的最大化，在降低高頻分頻器的設計難度的同時還能獲得更為優異的相位噪聲性能。每個 VCO core 結構中都包含 9bit 開關電容陣列和 2bit 的變容管陣列，VCO 能夠根據當前的諧振頻率來調節變容管的接入數量、削弱 Kvco 變化、降低 AM-PM 相位噪聲的轉化、以及保證環路特性的穩定。當使能 VCO bias 以及 VCO Buffer時，可進行頻段的切換，此時 VCO_Buffer 中的電容值可自動調整，進而改變峰值頻率，拓展帶寬。