8、基于优化的锥形电感射频压控振荡器设计

基于优化的锥形电感射频压控振荡器设计

1. 引言

随着CMOS技术的飞速发展，无线通信系统变得越来越复杂。压控振荡器（VCO）作为无线通信系统中的关键组件，因其对相位噪声的严格要求，通常采用LC - VCO。为了最大化相位噪声并最小化功耗，基于优化的设计方法显得尤为重要。在设计LC - VCO时，需要考虑振荡器各元件的特性，特别是集成电感的设计。

2. LC - VCO特性

2.1 拓扑结构

在高频应用中，LC - VCO拓扑结构通常优于其他配置，如弛豫或环形振荡器。其中，CMOS交叉耦合LC - VCO，如双开关振荡器，因其良好的噪声性能和上升/下降时间对称性而被广泛使用。不过，引入尾电流源会降低振荡可用的输出电压摆幅，且双开关拓扑中的寄生电容会影响调谐范围和振荡频率。

2.2 特性方程

• 振荡频率 ：在理想振荡器中，振荡频率为 $f_{osc} = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}$；在实际设计中，需考虑振荡条件 $\alpha \cdot g_{tank,max} \leq g_{active}$，其中 $\alpha$ 为启动因子，通常设置在2 - 3之间。
• 总电容 ：总电容 $C_{total} = C_{PMOS} + C_{NMOS} + C_{Load} + C_{var}$，振荡频率变为 $f_{osc} = \frac{1}{2\pi\sqrt{L(C_{total}/2)}}$。
• 启动振荡条件 ：总电路