2024年3月15日发(作者：)

低功耗GHz VCO设计

李月梅，李哲英

北京交通大学电子信息工程学院，北京（100044）

E-mail：yarmouthlee@

摘 要：设计了一种用途广泛的VCO电路结构。所设计的VCO电路采用负阻差分振荡器

的基本结构，主要对该电路进行了功耗分析，同时也对相位噪声、调谐范围、频率稳定性等

方面进行了探讨。设计中采用电源电压为5 V，中心振荡频率约为2.38 GHz，8%的调谐范

围，以及符合DCS-1800标准的低的相位噪声，最大特点是较低的功耗。

关键词：低功耗，压控振荡器，负阻LC差分VCO，互补交叉耦合对

1. 引言

压控振荡器（VCO）广泛应用于无线通信和光纤通信系统电路中，尤其在PLL、时钟

恢复电路、频率综合器等电路中，VCO起到了核心的作用。VCO的主要性能指标包括运行

的中心频率及频率调节范围、频率稳定度、调节线性度、电压-频率转换的线性度、相位噪

声、输出振幅、功耗、电源与共模抑制、输出信号纯度和制造成本等。VCO研究的趋势在

降低其相位噪声、功耗、频率稳定性与操作电压等等。

当前LC谐振网络VCO普遍使用CMOS工艺，而且大多数是正弦波振荡器。在PHEMT

器件的优良特性基础上，已经设计出了振荡中心频率高达几十个GHz的VCO[5]，更有人用

InP-HBT和SiGe BiCMOS做出了上百GHz的压控振荡器[6][7]。总的来说，大部分设计者

正在CMOS工艺下的差分耦合VCO方面作有关低功耗、低噪声、频率调谐范围、相位噪声

等各个方面的研究。

本文阐述了一种基于CSMC 0.5um的工艺，以Cadence公司的Virtuoso为电路仿真工具，

以片上螺旋电感和MOS管可变电容组成谐振网络，采用互补差分耦合对结构，目标中心振

荡频率为2.38GHz的LC压控振荡器。

2. VCO基本电路结构设计

在RC电路结构中，选频谐振网络通常安排在反馈网络中。在LC电路中，选频谐振网

络通常设置为有源或无源放大器网络的负载。本文采用LC电路结构。

由于非理想特性的原因，LC谐振网络存在有功能量损耗，这部分可以采用负阻抗进行

补偿。在实际的LC VCO中，通常采用有源器件产生负阻抗来补偿集成电感和可变电容的

功率损耗。负阻抗可以通过一对差分对管组成的反馈电路来实现。该设计中，为电感提供负

阻抗的管子由两对互补交叉耦合管对构成，一对是M1和M3，另一对由M2和M4组成。

该电路图及其负阻模型见图1和图2。

其中

G

mn

=G

mp

=G

m,active

，

G

mn

和

G

mp

分别代表PMOS和NMOS的跨导，二者相等记

作

G

m

,

active

，三者皆为负值。两个PMOS和两个NMOS在各自支路分别串联，由基本电路理

-1-

论可知

1221

，其中

G

m

代表有源器件总负导纳。该负导纳与

R

p

并联，

=