1、摘要
在现代无线通信系统的各个领域中，锁相环频率合成器是现代通信系统中最重要的组成部分，锁相环主要由鉴相器（PFD）、电荷泵（CP）、压控振荡器（VCO）、环路滤波器（Filter)、分频器（FD）组成，在锁相环结构中VCO提供实际的输出信号，因此VCO的性能直接决定了锁相环大部分的性能，其相位噪声决定了锁相环的外环路噪声，锁相环的输出频率范围也由VCO调谐范围决定。因此对VCO设计的研究逐渐成为现代通信领域中最活跃的部分[3]。
目前主流的VCO设计主要分为4类：1）电感电容耦合振荡器、2）谐波振荡器、3）分布式振荡器、4）环形振荡器。其中使用最广泛的为LC -VCO与环形振荡器，环形振荡器可采用与数字技术兼容的CMOS工艺实现，不需要片上电感，因此芯片面积很小，可以实现较大的调谐范围，但其工作在GHz频率以上时，相位噪声性能较差，功耗也随之加大，限制了其在现代射频通信设备中的使用。LC -VCO采用电感和可变电容作为谐振网络实现对频率的控制功能，其占用芯片面积较大，但因其具有良好的相位噪声因而成为高性能无线网络通信设备中的首选。
在高性能通信设备设计中，主要采用的LC-VCO有两种：交叉耦合结构与考毕兹结构。一种简单的交叉耦合结构电路如图1所示： 这种电路利用正反馈产生负阻来抵消谐振网络电阻损耗以保证起振的稳定性，采用差分信号作为输出信号，以帮助电路更好的抑制共模噪声产生的干扰，克服由于电源电压VDD变化与工艺误差所带来的不利影响。考毕兹结构同样采取LC谐振网络来保证起振，但其输出范围较大不够精确稳定，相位噪声性能不够优秀，采用单端信号输出难以获得更佳的性能参数。因此目前大多采用差分耦合结构的LC-VCO。
图1.交叉耦合结构VCO示意图
在实现射频电容电感压控振荡器（LC-VCO）的主流工艺中，以CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor) 和SiGe HBT(Hetero-junction Bipolar Transistor)工艺应用较多，多年以来现代通信研究一直在寻求一种能将无线通信系统的射频前端和数字后端集成到单个芯片上的方法。这种集成的一种实现方法是在基于CMOS技术高度发展的前提上实现射频功能与数字后端的统一。在射频块模块中，CMOS-LC-VCO电路是最难集成的电路之一，其原因如下：1）单片电感的品质因数Q较差；2）变容器的调谐范围有限；3）与SiGe HBT等其他技术相比，CMOS中的闪烁噪声较差。诸如频率调谐范围小，相位噪声差等原因，使射频CMOS接收机难以满足无线局域网(WLAN)等商业规范[4]。
幸运的是进入二十一世纪以来，采用开关电容阵列以及累积型变容二极管（AMOS）等无源元件能帮助我们有效缓解上述问题。
首先，变容二极管的品质因素Q是由下面的式子所定义的：
（1）
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