基于802．11a標(biāo)準的5 GHz振蕩器設(shè)計

C0是外加電壓為零時二極管的電容值，φ是結(jié)兩邊半導(dǎo)體的接觸電勢差，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O．03～O．04之間。
1．3．2 MOS變?nèi)莨?br /> 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，即B=D=S，使它變成一個兩端器件，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?？勺冸娙荭?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。有時候可用電容調(diào)制系數(shù)γ來表示變?nèi)莨艿南鄬ψ兓浚?br />

γ越大，可實現(xiàn)的頻率調(diào)節(jié)范圍就越寬。電容的品質(zhì)因數(shù)表示了電容在一個振蕩周期存儲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)，所以在說變?nèi)莨艿腝值時，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f=1／2πCR3截止頻率決定了變?nèi)莨艿墓ぷ魃舷?，一般它的工作頻率要遠小于截止頻率fT。
在本論文所選用的O．18μm CMOS工藝中，可變電容有兩種，因為變?nèi)荻O管存在著導(dǎo)通電壓的問題，所以我選用了變?nèi)軲OS管。MOS變?nèi)莨芊譃镻MOS和NMOS，因為和NMOS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，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，長為10μm，寬為0．5μm的電容，最小電容值O．25 pF，最大電容值O．6 pF，可調(diào)范圍為O．35 pF。

2 相位噪聲
相位噪聲振蕩器的輸出信號，理想情況下應(yīng)當(dāng)是一個頻譜純凈的正弦波，但是由于電子電路中的各種噪聲以及溫度、電源電壓等變化都會對振蕩器的輸出信號產(chǎn)生影響，使輸出信號的振幅、相位和頻率發(fā)生改變，振蕩器的輸出信號就會發(fā)生畸變，會在中心頻率附近的兩個帶狀頻率分布，這些不希望出現(xiàn)的能量分布，就是相位噪聲。
相位噪聲主要受三方面的影響：(1)LC諧振腔內(nèi)的串聯(lián)寄生電阻；(2)振蕩器的差分對；(3)尾電流源。當(dāng)使用線性時變模型來估算VCO的相位噪聲的時候，就需要知道這三個噪聲貢獻的功率譜密度，通過經(jīng)典的Leeson的相位噪聲模型我們可以方便的計算出相位噪聲。因此，這樣分析就給出了明確優(yōu)化電路的方向，所以需要做的是根據(jù)相位噪聲的模型，來調(diào)整具體電路的參數(shù)，以達到一個相位噪聲和功耗之間的最優(yōu)值。
Leeson的經(jīng)驗相位噪聲公式經(jīng)過改進，可以寫成(5)式。該式清楚說明了產(chǎn)生相位噪聲的主要原因，對于改善VCO的性能具有重要指導(dǎo)意義。

式中，l(△w)為相位噪聲(dBc／Hz)，F(xiàn)為有源器件的噪聲系數(shù)，K為玻爾茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)絕對溫度(K)，Pavs為振蕩器平均輸出功率(W)，w0為載波中心頻率(rad)，△w為載波附近的頻率位移小量(rad)，Q為振蕩電路的等效品質(zhì)因數(shù)，△wl／f3為有源器件的閃爍噪聲拐角頻率(rad)。
由上面修改后的Leeson公式并結(jié)合CMOS工藝的特點，要使VCO性能優(yōu)良就必須減少VCO的相位噪聲，本文采用以下幾種方法進行：
(1)選用Q值高的電感。由于受片上電感寄生參數(shù)的影響，電感值不能過大，否則電感與寄生的電容發(fā)生諧振，若頻率低于VCO的振蕩頻率，則VCO不能工作。
(2)增大VCO的輸出功率。但是，要在直流功耗與輸出功率之間折中考慮，同時，注意有源器件擊穿電壓的限制。晶體管尺寸的選擇直接影響VCO的直流功耗與輸出功率。本設(shè)計以Cadence Spectre環(huán)境下的仿真為依據(jù)，對晶體管尺寸與叉指數(shù)進行優(yōu)化，得到滿足性能要求的晶體管。
(3)選用噪聲小的有源器件。隨著集成電路制造工藝的不斷進步，元件與襯底間的寄生電容電阻越來越小，選用新工藝也是提高電路性能的有效手段。