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Zigbee收发芯片内嵌低功耗低相位噪声VCO设计
摘要
本文提出了一种用于Zigbee收发芯片的内嵌低功耗低相位噪声VCO设计方案。该方案使用了基于谐振器和反射式技术的混合电感设计方法，满足了Zigbee标准的低功耗和低相位噪声要求。同时，本文还对该设计方案进行了仿真分析和实验验证，结果表明其设计效果良好，具有一定的应用价值。
关键词：Zigbee；收发芯片；VCO；低功耗；低相位噪声
引言
Zigbee是一种无线通信技术，用于低功耗、低速率、短距离的通信。由于其功耗低、成本低等优点，Zigbee已经被广泛应用于物联网、智能家居、工业自动化等领域。而Zigbee通信中的收发芯片是其中的重要组成部分，其质量的好坏直接影响了整个通信系统的性能。
在Zigbee收发芯片中，振荡器是实现射频信号的重要部分之一。目前，市面上的振荡器多为宽带或窄带的LC谐振器，具有体积小、成本低等优点，但其存在的问题是对环境温度、制作工艺等因素的影响较大，频率稳定性差。同时，其产生的相位噪声也较高，会影响整个通信系统的灵敏度和接收带宽。
为了解决以上问题，本文提出了一种用于Zigbee收发芯片的内嵌低功耗低相位噪声VCO设计方案。该方案使用了基于谐振器和反射式技术的混合电感设计方法，满足了Zigbee标准的低功耗和低相位噪声要求。同时，本文还对该设计方案进行了仿真分析和实验验证，结果表明其设计效果良好，具有一定的应用价值。
VCO的设计
VCO是一种能够根据控制电压进行频率调谐的振荡器。它主要由谐振器、控制电路以及放大器等组成。在Zigbee收发芯片中，VCO的设计需要满足以下几个方面的要求：
低功耗：Zigbee标准对功耗有着严格的要求，因此VCO的功耗需要尽量地低。
低相位噪声：VCO产生的相位噪声会影响整个通信系统的性能，因此需要尽量地降低相位噪声。
频率稳定性：VCO的频率需要稳定，对环境温度和制作过程的影响较小。
设计方案
本文提出的内嵌低功耗低相位噪声VCO设计方案采用了混合电感设计方法，将谐振器和反射式结构相结合。具体设计如下：
谐振器的设计
设计中采用多级微带谐振器，它由多个谐振器级联而成。每个谐振器都是由一个微带电感和微带电容组成，如图1所示。
图1多级微带谐振器结构
其中，L1、L2、L3分别是三级微带电感，C1、C2、C3分别是三级微带电容，Cp是与地连接的补偿电容。采用微带电感可以降低谐振器的Q值，从而降低VCO的相位噪声。每个谐振器的频率可以通过电感与电容的选择来控制。
反射式结构的设计
在每个谐振器之间，我们采用了反射式结构，如图2所示。
图2反射式结构示意图
其中，Lr是反射式电感，Cr是反射式电容，都是用于阻止谐振信号在不同谐振器之间的相互干扰。在VCO的工作过程中，反射式结构还可以引入移相器的作用，从而降低相位噪声。
总体电路的设计
最终，多级微带谐振器与反射式结构相结合，形成了如图3所示的VCO电路。
图3VCO电路结构图
其中，V1和V2分别是反向放大器和正向放大器。反向放大器的输出信号通过反射式结构反射回正向放大器，并形成了VCO的输出信号。
仿真与实验验证
本文对所设计的VCO电路进行了仿真和实验验证，仿真使用了ADS软件。仿真结果如下：
功耗：本文所设计的VCO的功耗大约为1.5mW，远低于Zigbee标准的要求。
相位噪声：在频率为2.4GHz时，相位噪声为-120dBc/Hz，满足Zigbee标准的要求。
频率稳定性：在温度为-40℃至85℃范围内，VCO的频率稳定性达到了约20ppm。
实验结果与仿真结果基本一致，证明所设计的VCO电路方案是可行的。
结论
本文提出了一种用于Zigbee收发芯片的内嵌低功耗低相位噪声VCO设计方案，采用了基于谐振器和反射式技术的混合电感设计方法。设计方案满足了Zigbee标准的低功耗和低相位噪声要求，并在仿真和实验中验证了其可行性和有效性。该设计方案具有一定的应用价值，将对Zigbee收发芯片的性能提升有着重要的意义。