近几年，5G、蓝牙、IoT和WiFi通信技术得到了全面发展和进步，为此技术人员需要基于射频信息通信场景和环境针对2.4 GHz压控振荡器进行结构优化和完善，同时利用CMOSRF技术的集中控制和造价管理所产生的优势，电路方案设计同样需要完善和改革，致使其使用性能超越了现代化工艺和零部件。

一、2.4 GHz压控振荡器概论

在微波通信基础建设过程中，考虑到2.4 GHz压控振荡器自身周期性变化的时变特点，为设备系统相位噪声参数进行精准建模和信息分析对增强设备使用性能具有十分重要含义。所以应积极引进基于脉冲敏感函数结构，所以从理论上通过数据计算出傅里叶系数，有效预测和判定外部偏置电路注入电流和相位噪声的综合影响。

在系统内部结构中，VCO电路影响因素构成了一系列谐振腔，并且由上级输出信号控制，有效管理控制系统的中心振荡频率以及可调节和谐范围。M₅与电流源头构成外部偏置电路结构，为主要谐振电路提供相对稳定的驱动电流。而M₁与交叉耦合的NMOS负阻单元相互结合，以此为LC谐振回路持续提供振动能量，所以与传统交叉耦合相比较，电路结构主要具备两种特点^[1]。

第一，在交叉耦合针对管道源头电机串联管道进行管理和连接时，需要在左侧、右侧两条支线道路上进行电源填充从而形成相对独立的电源模式，以此渠道传统结构拓扑中的尾电流源。由于此种连接模式能够在接近地面尾部位置构成低阻态的接地回路，致使低频噪声能够有效通过整体系统回路流出，从而减少尾气电流源的在引进噪声过程中，能够叠加在不同频域上的相位造成。除此之外，技术人员还需积极调整外部偏置电流，以此作为基础条件直接开启或者关闭PMOS对流管道，有效控制振荡设备的输出与输入状态的有效切换。

第二，系统输出端口还需要连接一组RC高通滤波互联网，确保该系统结构有效完成震荡设备输出滤波以及选项的同时，RC选取数值能够有效控制系统对于管道开启时间的控制，调整振荡频率。

二、2.4 GHz压控振荡器电路选择

在大规模集成电路实施过程中，环形振动设备以及电容电感谐振回路设备成为当下现有工艺技术条件下使用最为广泛的两种振荡器。其中环境振荡器在运转过程中，自身具备极易完成于调节数据范围大等特点，但是设备使用过程中普遍具有相位噪声大缺点和不足。所以电感电容振荡设备虽然使用较为困难，但是由于电感电容的过滤作用，所以系统自身具有良好的相位噪声特点，一般适用于无线射频电路结构上。

目前2.4 GHz压控振荡器主要为分三种电路结构：Col-pitts振荡器、NMOS交叉耦合振荡器,以及互补型交叉耦合振荡器。在以上三种电路结构中，由于Colpitts振荡设备需要在相同电流设置条件下开展振荡设备性能比较，为此管道晶体面积则相对较大，极大增加电容，减少设备振荡频率，因此此种设备一般使用频率和次数较少。互补型交叉振荡器在实际使用过程中与互补型振荡器相比较，其基础谐振幅度至少增加了一倍，并且系统内部管道之间的并联系统增加了负面积阻抗^[2]。

针对此种现状需要使用较小的偏置电流补偿电感串联电阻的能量损耗，以此降低基础2.4 GHz压控振荡器基础功耗。除此之外，由于系统跨导不断提升系统互补差运转状态的切换速度，所以从相位噪声考虑，互补性系统结构在运转环节上同样具备明显的运转优势，导致输出信号上、下边沿的对称性，有效减少系统噪声。所以，2.4 GHz压控振荡器从功能消耗和相位噪声方面上进行综合考虑，本文在振荡器设计有划伤一般选择互补型。

三、2.4 GHz压控振荡器电路优化设计

在2.4 GHz压控振荡器电路选择上，所使用的有源晶体管能够有效取代电路结构中的可变电容，并且与RC高通滤波互联网电容相互对应，以此有效减少系统基础功能消耗，尽可能减少系统护短方案设计的控制范围，同时有效抑制无源电气零部件由于生产工艺误差性造成匹配精度减少，从而提高整体电路的使用性能。

为此需要针对2.4 GHz压控振荡器电路进行结构优化和完善，经过方案设计完善后的设备内部结构应利用电压控制负阻振荡器，其中M₁、M₂，主要为压控负阻零部件，有效与2.4 GHz压控振荡器上端LC谐振并联回路相互连接，完成设备自我振荡。所以为了满足VCO设备振动以及2.4 GHz压控振荡频率标准设计需求，首先需要针对系统电路进行详细理论分析，以此作为基础条件进行理论知识模型建立。技术人员需要针对主谐振动电路信息理论建立负阻模型，结合信号电路实际情况，最终明确VCO系统的振动条件、振荡频率以及电路方案设计之间的相互联系。

同时为了保证2.4 GHz压控振荡器的起振效果，系统优化方面需要基于主谐振电路的简化信息模型，忽视M₂，最终将其是作为理想的电流负阻单元影响因素。为此需要针对微波通信的2.4 GHz压控振荡器列出相关方程，但是由于管道尺寸数据相同，能够以此作为基础条件推算出设备起振条件，以便于后续电路设计以及优化过程中进行经验仿真迭代计算和优化，从根本上缩短设备起振时间，从根本上增加设备的基础起振。

2.4 GHz压控振荡器实现基础振荡功能之后，无需考虑器件寄生电容的基础影响，有效计算出设备振荡频率。但是由于设备谐振腔主要由电感等参数转变设备电容，以及RC高通回路，所以本次研究所提出优化方案设计中，将使用NMOS操作系统取代可变电容成，其主要优化目的是为了防止2.4 GHz压控振荡器无源零部件所带来的版图偏激的增加，减少系统电路功耗。

在微波通信应用环境下，使用MOS晶体管道能够有效代替常规电容所面临的有源零部件的非线性特点，有效寻找出适合的晶体管道尺寸数据，以此有效满足振荡器整体使用性能需求。除此之外，根据公式数据进行详细计算，方案设计中应该选择适合的电感以及电容完成2.4 GHz压控振荡器中心应用频率，同时，需要尽可能扩大可调节谐振频率数据范围。经过大量手工数据计算和仿真分析，最终明确谐振腔零部件运营参数^[3]。

设备经过参数优化和设计之后，随着电压参数变化曲线可知：设备在0-1.8伏范围下的振荡谐波范围内，NMOS等效栅氧容数值将从16fF提高至65 fF。同时VCO系统在瞬间仿真参数和噪声分析背景下，经过系统优化的设备普遍具有良好相噪特点与可接受电路功能消耗，为此针对系统输出端口的高滤波长网路应分别使用有源NMOS管道取代线路电阻R，而使用PMOS有效取代电容C。

除此之外，PMOS电容管道一般为M₂的振动器输出，当设备漏源两个电极短接之后需要连接M₂，以此保证VCO系统在工作时，M₂系统始终处于截止状态，才能够保证等效电容处于恒定且易设计的数据调试与计算。为此应通过对单管的仿真扫描分析和讨论，最终选择PMOS电容管道的沟渠尺寸，其基础电容该数值随着电压参数，从计算结果能够进一步得知：当电容数值所产生波动较小时，在实际振荡器电路仿真中，测量得出系统的平均电容数值，并且在设计RC网络时，将MC看作为恒定电容积极调整电阻管道的具体参数尺寸，通过迭代方案设计，明确MR渠道尺寸，在不考虑电路寄生电容的影响条件下，根据公式能够计算出VCO的频率。

四、2.4 GHz压控振荡器电路优化结果

在2.4 GHz压控振荡器设计和优化过程中，由于射频压力控制振荡设备针对工艺参数的变化十分显著和敏感，所以为了全面提升电力结构的稳定性和安全性，电路结构仿真计算包含了系统输出频率、振动以及功耗等技术工艺，所以需要从温度变化、电源变化以及电容变化等，在电路结构上进行结构布局，其中结构布局实施过程中，其基础对称性除了需要综合考虑差分特性以外，还致使左右两边电感的中心线附近相互减弱，甚至是抵消。而在2.4 GHz压控振荡器运转过程中，寄生电阻对于电路使用性能具有十分重要的影响，所以方案设计以及电路优化过程中应充分考虑查分对于管道的寄生电容影响，并且为连线分布电容留有充裕量。通过后仿真对电路做参数调整。电路使用TMSCO. 18μm 1P6M RF CMOS工艺进行流片，并在室温下对芯片进行了初步测试，其正常工作电流为5.5 mA。

结束语：

由此可见，本文提出了一种改进型2.4 GHz振荡频率低功耗、低相位噪声的LC压控振荡器(VCO)。采用有源MOS晶体管替代VCO拓扑中的无源电阻和电容,基于TSMC 65 nm/1.8 V CMOS RF工艺的仿真分析,结合理论建模,精准调试关键电路参数，最终优化了VCO性能。仿真及比较结果显示,提出的VCO在相位噪声和功耗两项性能指标上均有显著提升,以1. 323 mW的低功耗,实现良好的- 127. 272 dBc/Hz@1 MHz的相位噪声,综合优值高达-193.84 dBc. Hz,优于已知文献中多数的VCO架构。

参考文献：

[1]段文娟,刘博,王金婵,张金灿,刘敏,孟庆端.用于微波通信的2.4 GHz压控振荡器优化设计[J].压电与声光,2020,42(04):461-465+476.

[2]王鹏,刘传彬,牟启同.基于PointLink系统的海上微波通信系统的分析和应用[J].机电工程技术,2022,51(01):174-176+180.

[3]雷思伟,黄海生,李鑫,叶小艳.BDS导航接收机中宽调谐LC压控振荡器设计[J].导航定位学报,2021,9(06):24-28+37.