3. 交叉耦合 LC-VCO 拓扑：NMOS only、PMOS only、互补型结构对比

这一节我们聊聊三种经典的交叉耦合拓扑。说白了，就是一对差分对管怎么搭的问题。

我记得刚入行那会儿，师傅扔给我一个 NMOS only 的 VCO，说先跑起来。那时候我不太懂，只觉得简单。后来做高频 PLL 才明白，选哪种拓扑，直接决定了你的相噪、功耗和共模抑制能力。

下面我带你逐个过一遍。别急，最后会放一张我自己常用的对比表，你留着项目选型时用。

3.1 三种拓扑的基本原理

NMOS only：用一对 NMOS 做交叉耦合对，尾电流源放在源级。结构最简单，面积最小。但输出共模点比较高——因为 NMOS 的过驱动电压和尾电流源压降加起来不小。我早年做过一个 2.4GHz 的 VCO，尾电流源用了 300mV 余量，结果共模点被抬到接近 1.2V，后面 buffer 的输入范围差点不够。

PMOS only：把 NMOS 换成 PMOS 对，尾电流源挂到电源侧。共模点低，适合做低电源电压设计。但 PMOS 的迁移率只有 NMOS 的一半左右，同样偏置下跨导更小，起振需要更大的电流或更宽的管子。我在一次超低功耗项目中试过，为了省电被迫把 PMOS 管宽度拉到很大，寄生电容暴涨，调谐范围缩了 15%。

互补型（CMOS）：NMOS + PMOS 交叉耦合对共用，没有单独的尾电流源。等效跨导是两者之和，相同电流下负阻更强，相噪理论上可以更好。但共模点由二者匹配决定，对器件失配敏感。而且因为没有尾电流源，电源抑制（PSRR）很弱——电源上的噪声会直接调制到振荡频率上。嗯，这个坑我等下细说。

3.2 核心性能对比

我把主要指标列在下面，你设计时对着这个表选就行。

3.3 我的选择建议（附避坑）

什么时候用 NMOS only？

• 电源电压充足（≥ 1.2V），你不在意共模点偏高。
• 对电源噪声敏感，比如片上 LDO 不够干净。
• 曾经有一次，我从互补型换成 NMOS only 加一个串联谐振尾电流滤波（LC 在二次谐波上谐振），相噪不仅没变差，还把 10 kHz 附近的噪声压低了 6 dB。那个项目后来一次流片成功。

什么时候用 PMOS only？

• 电源电压很低（≤ 0.9V），NMOS 尾电流源压降太奢侈。
• 输出共模需要接近 GND，方便驱动某些NMOS输入级的 buffer。
• 但要注意：PMOS 管子宽，寄生电容大。我之前算错寄生，导致 KVCO 比预期大了两倍，调谐从 800 MHz 变成了 1.2 GHz，锁相环锁不稳定。后来只好重新流片……

什么时候用互补型？

• 你需要最小化功耗，相同相噪下电流最小。
• 板级电源已经做过低噪声处理，或者你自带片内 LDO。
• 互补型的共模点正好在半电源，后级共模反馈容易做。

另外关于起振裕度：我用 NMOS only 时习惯留 2~3 倍安全裕度；互补型因为两个跨导叠加，留 1.5 倍就够了。PMOS only 因为 gm 小，我一般留 3 倍以上，否则工艺角 SS 下可能不起振。

3.4 三种拓扑的关系图

下面这张图把三种拓扑的结构特点和核心差异串起来了。你可以用来快速回顾。