低相噪、低功耗连续调谐双核压控振荡器
发布时间：2020-12-29 19:31
采用GF 55 nm CMOS工艺,设计一种可应用于调频连续波（Frequency Modulated Continuous Wave,FMCW）雷达系统中的低相噪、低功耗连续调谐双核电感电容压控振荡器（Voltage-Controlled Oscillator,VCO）.该VCO通过三线圈变压器将两个振荡核心和缓冲放大器相互耦合.通过双核耦合结构实现了低相位噪声,同时也保证了较宽的连续频率调谐范围.采用电流复用技术,将缓冲放大器通过中心抽头变压器与核心电路耦合,大幅降低了由双核结构引起的高功耗,同时为电路提供了较高的输出功率,解决了双核耦合VCO的质量因数（Figure of Merit,FoM）普遍较差的问题.后仿结果表明,该VCO实现了28 G～32 GHz的13%的连续频率调谐范围,相位噪声在1 MHz偏移下低至-105 dBc·Hz-1.在1. 2 V电源电压下,包括缓冲放大器在内的总直流功耗仅为13. 5 mW,输出功率可达4. 5 dBm.电路实现了183 dBc·Hz-1的FoM.
【文章来源】：南京大学学报(自然科学). 2020年02期 北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
图1 双核VCO电路结构图
耦合系数k大的变压器不仅可以提高所需谐振频率下的振荡稳定性，也能提高谐振腔的Q值[15].设计的三线圈变压器如图2所示，采用堆叠耦合和同心耦合相结合的方式来设计三线圈变压器，既保证了较大的耦合系数k，又节省面积.由于连接关系的限制，L1和L2的中心抽头方向应保持一致，分别设计在最顶层的两层金属上.L3为了获得尽可能大的Q值，被设计在最顶层金属上，与L1同心耦合.L2被堆叠在L1和L3之间的空隙下，这样可以降低叠加耦合带来的耦合电容，从而提高变压器的自谐振频率.L1和L2分别处于两个不同厚度的金属层，但是在30 GHz左右的振荡频率下，趋肤效应占主导地位，因此，大多数电流在靠近由趋肤深度限定的导体表面的较窄空间内流动.所以不同的金属厚度对变压器线圈性能的影响较小[16].这使得这两个振荡核心的不对称性不那么明显.L1,L2和L3的外径分别为62μm,74μm和84μm，线圈宽度分别为11μm,7μm和9μm.L1与L3的线圈间距为2μm.使用仿真软件对设计的变压器进行仿真，得到L1,L2和L3的自感分别为111.53 pH,110.71 pH和110.99 pH,Q值分别为13,12,11，耦合系数k12,k13和k23分别为0.8,0.67和0.71.
采用GF 55 nm CMOS工艺对电路进行设计和仿真.本文设计的电流复用变压器耦合输出缓冲放大器的双核VCO的版图如图3所示.包含pad的版图面积为（0.47×0.59)mm2，而VCO电路的面积仅为（0.22×0.22)mm2.为减小相位噪声，以完全对称的形式对版图进行电路布局，选取最底层两层金属共同为地.由VCO版图提取出相关寄生参数，使用仿真软件对电路进行后仿.如图4所示，VCO可实现覆盖28.18 G到32.04 GHz的12.8%的连续频率调谐范围，该结果是通过同时调谐两个VCO振荡核心得到的.可以看出，当调谐电压在0～0.9 V的范围内变化时频率调谐范围的线性度良好，KVCO几乎不变，这一点对于后续锁相环（PLL）的设计是非常有利的.图4中也显示了仿真得到在不同频率下的1 MHz偏移处的相位噪声.在整个调谐范围内相位噪声均低于-102.5 dBc·Hz-1.
【参考文献】：
期刊论文
[1]X波段FMCW导航雷达射频前端设计与实现[J]. 蒋青,罗栋梁,刘峰. 重庆邮电大学学报(自然科学版). 2018(05)
[2]一种高频LC-VCO相位噪声的分析方法[J]. 武照博,王兴华,王征晨. 微电子学与计算机. 2018(04)
本文编号：2946176
【文章来源】：南京大学学报(自然科学). 2020年02期 北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
图1 双核VCO电路结构图
耦合系数k大的变压器不仅可以提高所需谐振频率下的振荡稳定性，也能提高谐振腔的Q值[15].设计的三线圈变压器如图2所示，采用堆叠耦合和同心耦合相结合的方式来设计三线圈变压器，既保证了较大的耦合系数k，又节省面积.由于连接关系的限制，L1和L2的中心抽头方向应保持一致，分别设计在最顶层的两层金属上.L3为了获得尽可能大的Q值，被设计在最顶层金属上，与L1同心耦合.L2被堆叠在L1和L3之间的空隙下，这样可以降低叠加耦合带来的耦合电容，从而提高变压器的自谐振频率.L1和L2分别处于两个不同厚度的金属层，但是在30 GHz左右的振荡频率下，趋肤效应占主导地位，因此，大多数电流在靠近由趋肤深度限定的导体表面的较窄空间内流动.所以不同的金属厚度对变压器线圈性能的影响较小[16].这使得这两个振荡核心的不对称性不那么明显.L1,L2和L3的外径分别为62μm,74μm和84μm，线圈宽度分别为11μm,7μm和9μm.L1与L3的线圈间距为2μm.使用仿真软件对设计的变压器进行仿真，得到L1,L2和L3的自感分别为111.53 pH,110.71 pH和110.99 pH,Q值分别为13,12,11，耦合系数k12,k13和k23分别为0.8,0.67和0.71.
采用GF 55 nm CMOS工艺对电路进行设计和仿真.本文设计的电流复用变压器耦合输出缓冲放大器的双核VCO的版图如图3所示.包含pad的版图面积为（0.47×0.59)mm2，而VCO电路的面积仅为（0.22×0.22)mm2.为减小相位噪声，以完全对称的形式对版图进行电路布局，选取最底层两层金属共同为地.由VCO版图提取出相关寄生参数，使用仿真软件对电路进行后仿.如图4所示，VCO可实现覆盖28.18 G到32.04 GHz的12.8%的连续频率调谐范围，该结果是通过同时调谐两个VCO振荡核心得到的.可以看出，当调谐电压在0～0.9 V的范围内变化时频率调谐范围的线性度良好，KVCO几乎不变，这一点对于后续锁相环（PLL）的设计是非常有利的.图4中也显示了仿真得到在不同频率下的1 MHz偏移处的相位噪声.在整个调谐范围内相位噪声均低于-102.5 dBc·Hz-1.
【参考文献】：
期刊论文
[1]X波段FMCW导航雷达射频前端设计与实现[J]. 蒋青,罗栋梁,刘峰. 重庆邮电大学学报(自然科学版). 2018(05)
[2]一种高频LC-VCO相位噪声的分析方法[J]. 武照博,王兴华,王征晨. 微电子学与计算机. 2018(04)
本文编号：2946176
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