李小飞，刘宏，袁圣越，汪明亮，田彤
（中国科学院上海微系统与信息技术研究所无线传感网与通信重点实验室，上海200050）
摘要：基于UMC 65 nm CMOS 工艺，设计了一款应用于锁相环频率综合器中的带温度补偿的低功耗CMOS环形压控振荡器。环形压控振荡器采用3级交叉耦合延时单元构成。仿真结果表明，压控振荡器输出频率范围为735~845 MHz；在温度补偿下，温度变化从-60~100 oC时，振荡器输出频率漂移中心频率790 MHz±10 MHz；当振荡频率为790 MHz时，在偏离其中心频率1 MHz处，压控振荡器的相位噪声为-99 dBc/Hz；1.2 V电源供电情况下，压控振荡器的功耗为0.96 mW；版图面积约为0.005 mm2。
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关键词 ：低功耗；CMOS环形压控振荡器；温度补偿；系统设计
中图分类号：TN752?34 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）18?0098?04
收稿日期：2015?05?03
基金项目：上海市经信委资助项目（13XI?32）；上海市科委资助项目（14521106200）
0 引言
锁相环频率合成器在射频前端电路设计中是一个极为重要的模块，它的性能指标在系统性能指标中起着决定性的作用。压控振荡器作为锁相环中的核心模块，在锁相环电路中提供稳定的本振信号。它的压控增益、相位噪声、频率调节范围直接决定着整个锁相环的性能[1]。从电路结构来划分，压控振荡器主要有环形压控振荡器和电感电容压控振荡器两种典型的电路形式。对于振荡频率为几百MHz 范围的振荡器，电容电感压控振荡器虽然拥有良好的相位噪声特性、受温度和电源电压影响小的特点，但占用芯片面积过大，集成度低；而环形压控振荡器在能够提供相对较高的相位噪声下，同时具有占用芯片面积小和消耗功耗低的特点，被广泛应用于锁相环频率合成器中[2]。
基于UMC 65 nm CMOS 工艺，设计了一款中心频率为790 MHz，同时带温度补偿的低功耗CMOS环形压控振荡器。
1 电路设计
设计的环形压控振荡器的总体结构如图1 所示。环形压控振荡器采用3 级差分结构，其设计包括以下4 个模块，分别是环形压控振荡器延时单元、温度补偿电路、压控端的电压转换钳位电路和后级缓冲整形（Buffer）电路。
1.1 延迟单元设计
环形压控振荡器的延迟单元采用交叉耦合结构，如图2所示，交叉耦合单元左右对称，对称位置的管子尺寸参数完全相同。每个管子的功能如下：MP1和MP6为工艺补偿管，用于补偿由现代CMOS工艺中器件和电路参数随制造工艺偏差所带来的变化；MP2和MP5管用于温度补偿，同时又因为这两个管子是PMOS管，而PMOS管在CMOS工艺中制作在单独的N阱里面，其衬底电位可以独立调节，这里将此管子的衬底端口用于环形振荡器的间接压控端；MP3和MP6管作为交叉耦合管，形成正反馈，加快电平的翻转和管子状态的转换；MN1和MN2管作为信号输入管。
由于N 级环形压控振荡器的频率可以表示为：
式中TD 为单级的延迟时间，为上升延迟时间和下降延迟时间之和。延迟时间TD是由电流对节点电容的充放电决定，因此改变充放电电流就可以改变延迟单元的延迟时间，从而改变环形压控振荡器的振荡频率。环振的延迟单元中，MP1，MP2，MP5，MP6四个管子都为电压转换电流管，将其电压变化转换为电流变化，从而调节环形压控振荡器的输出频率。
1.2 温度补偿电路设计
由于环形压控振荡器输出频率对环境温度变化较为敏感，使得在设计环形压控振荡器时必须对其做温度补偿，图3（a）为温度补偿传感电路。电路中PNP 管集电极和基极相连，发射级注入10 μA 的固定电流，发射极电压经过一个射极追随器降压产生电压VT作为温度反馈电压接入环形压控振荡器的温度补偿端口，即MP2和MP5管的栅极。在此端口处并联一个电容C 来滤除电路在VT端口产生的部分噪声。
1.3 电压转换钳位电路设计
由于温度补偿管MP2和MP5的源极和衬底形成了一个PN 结，假设VPN（on）为PN 结的临界导通电压。由于源极接VDD ，当衬底电压下降到VDD - VPN(on) 以下时，源极和衬底所形成的PN结导通，会有一个大电流流过，这个大电流会导致MOS管发热而烧毁。为避免这种情况的发生，设计了电压转换钳位电路，如图3（b）所示。Vctl定义为环形压控振荡器的压控端口，通过电压转换电路产生Vbias电压，并将其接入MP2和MP4管的衬底端。同时在图3（b）中的连接VDD 的PMOS管的源漏极并接一个二极管，用于钳位。由于这个二极管的存在，Vbias点电压满足：
使得当压控端口电压Vctl从0变化到VDD 时，环形振荡器单元中的MP2和MP5管的源极和衬底形成的PN结将不会导通。
1.4 缓冲整形电路设计
缓冲整形（Buffer）电路由反相器构成，用于对输出波形进行整形。在环形振荡器的延迟单元中，MP3和MP4管作为交叉耦合管，加速了管子的状态转换，同时也导致了压控振荡器的输出波形并非是一个理想的方波。加入Buffer 电路后，可以调整振荡电路的输出波形。同时Buffer电路的另一个作用是用于驱动负载做实验测试。
图1 中，环形压控振荡器为差分输出，为了保证两条差分支路在测试引出端的负载相同，在每一条支路上的引出端都加入一个相同的反相器，如图1 中的BF1。由于实际芯片测试时，主要测试的是振荡频率和相位噪声参数，则选择测试差分支路中的一条支路即可。又由于VCO 后面的一级反向器的驱动能力不够，需要在测试支路上的BF1后再加入一级或更多级驱动能力更强的反相器。设计中只多加了两级级反相器驱动，如图1中的BF2，其中BF2包含两级反相器驱动。
2 仿真结果与性能分析与比较
运用Cadence软件Virtuoso SpectreRF做了版图设计和电路后仿真。图4为所设计的环形压控振荡器版图，总面积约为0.005 mm2。环形压控振荡器主要模块包括3个环形振荡器单元、温度补偿传感电路、电压转换钳位电路和缓冲整形电路中的BF1共消耗0.96 mW。
图5 是经过缓冲整形电路前后的瞬态波形图。VCO_out 所对应的是BF1 的输入信号，为整形前的波形，buffer_out是BF2的输出信号，为整形后的波形。可以看出缓冲整形电路成功的将环形振荡器输出的尖角波整形为占空比约为50%的方波。
图6 是加入温度补偿电路前后的输出频率在温度上的变化对比图。可以看出，当温度从-60°变化到100°的过程中，补偿（Compensated）后的电路输出频率大约有20 MHz 的频率漂移，而未补偿（Uncompensated）电路的输出频率从740 MHz 变化到890 MHz，产生了150 MHz的频率变化。补偿前后差距较大，加入补偿电路后显著降低了输出频率对温度的敏感度。
图7表示压控振荡器的输出频率与控制电压Vctl的关系，输出频率的变化范围为735~845 MHz，从图中可以看出有效的压控电压Vctl为0.1~0.8 V，压控振荡器的在Vctl=0.45 V时的压控增益大约为200 MHz/V。
图8 给出了环形压控振荡器在振荡频率为790 MHz 时的半边带相位噪声曲线，在频率偏移为100 kHz时，相位噪声为-71 dBc/Hz，在偏移1 MHz时，相位噪声为-99 dBc/Hz。
本文同时在功耗、版图面积、温度补偿和相位噪声等方面与其他环形压控振荡器设计做了比较，比较结果如表1所示。从表1中各个文献的结果可以看出，本文设计的环形振荡器频率调节范围较小，相位噪声参数处于中等水平，但是消耗功率最低，仅为0.96 mW，占用版图面积小，同时对输出频率在温度上做了补偿。
3 结语
设计的带温度补偿的低功耗CMOS环形压控振荡器采用UMC 65 nm CMOS工艺，在1.2 V供电下消耗功耗仅为0.96 mW，经过温度补偿后，温度变化从-60~100 oC时，振荡器输出频率偏移中心频率790 MHz±10 MHz，在790 MHz 的振荡频率下，相位噪声为-99 dBc/Hz@1 MHz，压控电压Vctl 为0.45 V 时，环形振荡器增益为200 MHz/V，压控振荡器输出频率范围为735~845 MHz。本文所设计环形压控振荡器具有功耗低，面积小和温度稳定度高的优点，可应用于锁相环频率合成器中。
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参考文献
[1] 池保勇，余志平，石秉学.CMOS射频集成电路分析与设计[M].北京：清华大学出版社，2006.
[2] FLOYD M Gardner.锁相环技术[M].3版.姚剑清，译.北京：人民邮电出版社，2007.
[3] PANIGRAHI J K，ACHARYA D P. Performance analysis and design of wideband CMOS voltage controlled ring oscilla?tor [C]// Proceedings of 2010 the 5th International Conference on Industrial and Information Systems. Mangalore： IEEE，2010：234?238.
[4] 谢连波，桑红石，方海涛.低功耗CMOS差分环形压控振荡器设计[J].微电子学与计算机，2013（5）：104?107.
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[6] 李鹏亮，马伟.Ka波段单片压控振荡器的设计[J].现代电子技术，2014，37（13）：77?80.
作者简介：李小飞（1988—），男，硕士研究生。研究方向为模拟/射频集成电路及系统设计。
刘宏（1987—），男，博士研究生。研究方向为模拟/射频集成电路及系统设计。
袁圣越（1986—），男，助理研究员。研究方向为模拟/射频集成电路及系统设计。
汪明亮（1967—），男，工程师。研究方向为模拟/射频集成电路及系统设计。
田彤（1968—），男，博士研究生，研究员。研究方向为模拟/射频集成电路及系统设计。
