基于802．11a標(biāo)準(zhǔn)的5 GHz振蕩器設(shè)計(jì)

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。

l 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?、電感和補(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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O管(JV)和MOS變?nèi)荻O管。下面分別介紹之。
1．3．1 變?nèi)荻O管(JV)
變?nèi)荻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：