基于802.11a标准的5 GHz振荡器设计

2 相位噪声

相位噪声振荡器的输出信号，理想情况下应当是一个频谱纯净的正弦波，但是由于电子电路中的各种噪声以及温度、电源电压等变化都会对振荡器的输出信号产生影响，使输出信号的振幅、相位和频率发生改变，振荡器的输出信号就会发生畸变，会在中心频率附近的两个带状频率分布，这些不希望出现的能量分布，就是相位噪声。

相位噪声主要受三方面的影响：(1)LC谐振腔内的串联寄生电阻；(2)振荡器的差分对；(3)尾电流源。当使用线性时变模型来估算VCO的相位噪声的时候，就需要知道这三个噪声贡献的功率谱密度，通过经典的Leeson的相位噪声模型我们可以方便的计算出相位噪声。因此，这样分析就给出了明确优化电路的方向，所以需要做的是根据相位噪声的模型，来调整具体电路的参数，以达到一个相位噪声和功耗之间的最优值。

Leeson的经验相位噪声公式经过改进，可以写成(5)式。该式清楚说明了产生相位噪声的主要原因，对于改善VCO的性能具有重要指导意义。

式中，l(△w)为相位噪声(dBc／Hz)，F为有源器件的噪声系数，K为玻尔兹曼常数，T为热力学绝对温度(K)，Pavs为振荡器平均输出功率(W)，w0为载波中心频率(rad)，△w为载波附近的频率位移小量(rad)，Q为振荡电路的等效品质因数，△wl／f3为有源器件的闪烁噪声拐角频率(rad)。

由上面修改后的Leeson公式并结合CMOS工艺的特点，要使VCO性能优良就必须减少VCO的相位噪声，本文采用以下几种方法进行：

(1)选用Q值高的电感。由于受片上电感寄生参数的影响，电感值不能过大，否则电感与寄生的电容发生谐振，若频率低于VCO的振荡频率，则VCO不能工作。

(2)增大VCO的输出功率。但是，要在直流功耗与输出功率之间折中考虑，同时，注意有源器件击穿电压的限制。晶体管尺寸的选择直接影响VCO的直流功耗与输出功率。本设计以Cadence Spectre环境下的仿真为依据，对晶体管尺寸与叉指数进行优化，得到满足性能要求的晶体管。

(3)选用噪声小的有源器件。随着集成电路制造工艺的不断进步，元件与衬底间的寄生电容电阻越来越小，选用新工艺也是提高电路性能的有效手段。

3 振荡器的设计

综合上述因素，在各方面进行折中之后，本文采用PMOS—NMOS交叉LC振荡器结构，如图3所示。

PMl、PM2、NM1、NM2为振荡器提供负租，NM5、NM6提供输出缓冲，本次设计使用的是Cadence公司的Speetre软件，所采用的工艺为O．18μm的CMOS工艺。所用的库内包含两种类型的模型库，一种为混合模型库，另外一种为RF模型库。混合模型库内的晶体管在相同尺寸下面积较小，适用于数模混合电路的设计。RF库提供的晶体管采用深阱技术，截止频率可达到40 GHz以上，远远超过本文的范围，并且提供的RF管具有保护环，增加了器件之间的隔离度，减少了噪声，比较适合射频电路的设计。因为本文所要设计的振荡器要达到射频频段，所以设计采用的是RF库。本次设计的电路工作频率在5．25 GHz左右，所用的器件全部选自RF模型库，没有使用理想元件。因为所有器件都来源于RF模型库，使得器件的众多寄生效应都得到考虑，所以仿真出的结果更接近于实际的情况。

主要参数设置：电感采用库内的高品质八角形对称电感，电感值L1为3.2 nH，指数为12；电容采用的是PMOS变容二极管，最小电容为0.25 PF，最大电容为0.6 PF，变化范围为0.35 PF；通过tran、pss、pnoise仿真得出主要性能指标，如图4、5、6所示，所设计振荡器在控制电压0～1.8V下振荡频率为4.01GHz～5.46 GHz，有良好的频谱纯度，变化范围为31％，覆盖了所要求的802.11a的两个频段5.15 GHz～5.35 GHz，输出振幅峰一峰值830 mV，相噪声为l MHz频率偏移下为一121dBc／Hz。本文设计的振荡器已经达到802.11a标准要求。

4 结论

本文介绍了一种使用0.18μm CMOS工艺，在Cadence Spectre软件下实现可应用于WLAN 802.11a标准的5.15 GHz～5.35 GHz频段的LC压控振荡器的设计。全部采用片上元件来实现，其核心电路采用差分形式交叉耦合电路结构实现，获得了较低的相位噪声，较高的输出电压摆幅。采用片上集成电感和PMOS变容二极管，整个电路实现了低功耗和较好的相位噪声。