壓控振蕩器（VCO）廣泛應用于無線接收、有線接收、數據通信、時鐘恢復等領域，常用來提供精確、穩定的周期時變信號。VCO的主要性能指標包括中心頻率及頻率調節范圍、頻率穩定度、相位噪聲、調諧線性度、輸出振幅、功耗、信號純度等。伴隨著CMOS工藝以及通信技術領域的迅速發展，VCO設計在不斷向著高頻率、高帶寬、高穩定度、高集成度、低相位噪聲、低功耗及低工作電壓的方向發展。壓控振蕩器主要分為兩類：環路振蕩器和LC振蕩器。環路振蕩器易于集成、調諧范圍大，但是其相位噪聲性能比LC振蕩器差。而LC振蕩器因其內部LC諧振回路的濾波特性故能獲得更好的相位噪聲性能。這一特性在對相位噪聲性能要求越來越高的背景下，相比于環形振蕩器使得LC振蕩器具有更加廣泛的應用。

    本設計對LC壓控振蕩器的電路結構、調諧范圍、相位噪聲以及功耗等方面做了詳細的分析研究，基于ADS仿真軟件設計了一款寬調諧范圍、低相位噪聲、低功耗的互補交叉耦合型LC壓控振蕩器。
1 電路設計
1.1 工作原理
    振蕩器一般都由放大單元電路和實現正反饋的反饋網絡兩部分組成，若放大單元的傳遞函數用Ha(ω)表示，反饋網絡的傳遞函數用Hf(ω)表示，則振蕩器的起振條件和平衡條件[1]可表示為：

    理想LC諧振腔中所儲能量在電容和電感中相互轉換而沒有損耗，故能無限振蕩下去。但是由于實際電容和電感都存在著寄生電阻，因此LC諧振腔中所儲能量在轉換過程中不可避免地要在寄生電阻上損耗一部分，如若沒有能量補充，則LC諧振腔將做幅度逐漸減小的阻尼振蕩而不能持續振蕩下去。一種解決方法就是利用負阻提供足夠能量補償LC諧振腔中的能量損耗從而使其能持續振蕩。
1.2 負阻實現
    負阻常由交叉耦合的NMOS對管或PMOS對管實現，常用結構有三種：單NMOS結構；單PMOS結構；互補NMOS和PMOS結構。相比于單MOS結構，互補結構有以下優點：(1)互補結構有兩對MOS對管提供負阻，故可用更小的電流補償電容、電感的損耗，降低了功耗。(2)互補結構有更大的輸出振幅，故有更好的信噪比，且不需要后級緩沖電路。(3)可通過調整兩種管子的尺寸使其跨導相等（gn=gp）以得到更對稱的振蕩波形，從而降低相位噪聲[2]。不過互補結構也有占用面積大、工作電壓高的特點，但高工作電壓也意味著有寬的電壓調諧范圍，即低的調諧增益K，這也進一步優化了相位噪聲性能。基于以上分析本設計最終選定互補型結構，其電路結構如圖1所示。

    由上分析可知，若要在不惡化相位噪聲的基礎上降低功耗則須：(1)在滿足相位噪聲和振幅指標要求的前提下適當降低工作電壓和電流；(2)選擇合適的Ibias值使LC電路工作在電流限制區和電壓限制區的臨界處；(3)盡可能提高諧振腔中電容，尤其是電感的Q值以降低Rtank的值；(4)適當提高諧振腔中L的值并降低C的值。
2 仿真結果
    根據上面分析設計的電路利用ADS軟件仿真，得到的相位噪聲曲線和f-v調諧曲線分別如圖2、圖3所示。
    結果顯示：在電源電壓Vdd=1.8 V時，調諧電壓范圍為0~1.8 V，中心頻點為2.42 GHz，調諧范圍為2.127 GHz~2.714 GHz,調諧范圍達到24.26%，調諧增益小于100 MHz/V，相位噪聲為-139.385 dBc/Hz@1MHz,靜態功耗為7.74 mW。

    本設計采用開關電容陣列對頻率離散粗調和MOS變容管對頻率連續微調相結合的方法實現寬調諧，通過選用小電容系數比的MOS變容管并在其兩端并聯高Q值的MIM電容降低調諧增益Ｋvco，同時采用互補結構，不但增加了調諧電壓的輸入范圍，而且使輸出波形更對稱，從而降低了相噪。另外，在尾電流、電源電壓以及調諧電壓等處進行濾波，進一步降低了相噪，并通過選擇合適的Ibias值在功耗和相位噪聲之間進行了折中,最終設計出了一個寬調諧范圍低相位噪聲且低功耗的互補交叉耦合型LC壓控振蕩器，滿足當前通信系統的要求，可廣泛應用于各種射頻前端中。
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