12、电压控制振荡器（VCO）技术解析与性能对比

电压控制振荡器（VCO）技术解析与性能对比

1. 电压控制振荡器基础

在无线通信系统中，混频器的本振（LO）端口通常由锁相环（PLL）频率合成器驱动。典型的PLL包含相位检测器、电荷泵、环路滤波器、电压控制振荡器（VCO）和分频器，它们连接成一个闭环，以确保输出频率稳定，不受器件噪声的影响。其中，VCO是PLL中至关重要的组成部分。

振荡器主要分为两类：弛张振荡器和谐波振荡器。弛张振荡器谐波含量高、相位噪声性能差；而谐波振荡器通常使用LC谐振器或晶体，具有高光谱纯度和良好的噪声性能。目前，无线应用中使用的大多数振荡器是基于谐振器的振荡器，其中交叉耦合LC VCO是最常见的VCO设计之一。

交叉耦合LC VCO由电感L、变容二极管Cvar和MOSFET的寄生参数构成谐振网络，其振荡频率由以下公式确定：
[
\omega_{0}=\frac{1}{\sqrt{4LC}}
]

并联电阻R用于模拟电感和变容二极管中的金属电阻损耗。NMOS和PMOS交叉耦合对形成小信号负电阻发生器，以抵消这种损耗电阻，从而维持振荡。振荡开始所需的最小器件跨导由以下条件决定：
[
g_{mp}+g_{mn}>\frac{1}{R}
]

VCO的两个最重要的性能指标是相位噪声和调谐范围。相位噪声是由器件中的噪声引起的短期频率不稳定，定义为：
[
L(\Delta\omega)=10\log\frac{P_{sideband}(\omega_{0}+\Delta\omega,1Hz)}{P_{sig}}
]
其中，$P_{sideband}(\omega_{0}+\D