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(tǒng)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(tǒng)對收發(fā)機通信速度，和工作帶寬以及高精度頻率源、頻率穩(wěn)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(guī)避掉某些頻點上的干擾號帶來的影響，從而保證通信系統(tǒng)的可靠性運行。而擴頻系統(tǒng)的工作，除了對穩(wěn)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(fā)系統(tǒng)的性能有著至關重要的影響。壓控振蕩器的高穩(wěn)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(fā)機混頻器高至 12GHz[4]，低頻能覆蓋至 20MHz 的本振輸出。為了實現(xiàn)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(qū)間，低頻段 VCO 核覆蓋了 12GHz~18GHz 的頻率范圍區(qū)間，兩段區(qū)間配合適當?shù)念l率交疊范圍，確保避免頻率空擋的出現(xiàn)，從而有效保證了頻率調諧范圍的連續(xù)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(yōu)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(jù)當前的諧振頻率來調節(jié)變容管的接入數(shù)量、削弱 Kvco 變化、降低 AM-PM 相位噪聲的轉化、以及保證環(huán)路特性的穩(wěn)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。