基于栅极电感反馈的CMOS差分Vacker VCO设计*

2017-04-25罗永刚

电子器件 2017年2期

关键词：品质因数晶体管功耗

罗永刚

(山东理工大学电气与电子工程学院,山东淄博 255049)

基于栅极电感反馈的CMOS差分Vacker VCO设计*

罗永刚*

(山东理工大学电气与电子工程学院,山东淄博 255049)

提出了一种基于栅极电感反馈的Vacker压控振荡器(VCO),该结构能够改善电路的负阻抗,进而使得电路易于起振。对晶体管的负载效应和振幅稳定性的分析表明,该Vacker VCO相比较于Colpitts VCO,具有更好的振幅稳定性,进而改善了VCO的相位噪声。基于0.13 μm RF CMOS工艺,对该Vacker VCO进行了设计与芯片实现,测试结果表明:在消耗4.2 mW功耗的前提下,该VCO振荡频率为11 GHz～12.6 GHz,在11.8 GHz振荡频率处,相位噪声为-115.1 dBc/Hz@1 MHz,品质因数FOM指标达到-190.3 dBc/Hz。

Vackar压控振荡器;电感反馈;低相位噪声;品质因数

由于简单的结构以及良好的性能,交叉耦合式LC压控振荡器(VCO)得到了广泛的应用,但是由于此结构受到闪烁噪声上转换以及高频噪声下转换的影响,其相位噪声性能较差[1]。文献[2]指出该结构中的非线性幅度调制(AM)以及非线性相位调制(PM)是其相位噪声退化的主要原因,并且文献[3]指出开关晶体管的器件尺寸对AM/PM的转换量影响较大,而且,频率调谐变容二极管的非线性CV特性也会引起AM/PM,进而恶化电路的相位噪声。这些都限制了交叉耦合式VCO性能的改善。

为了使得LC谐振回路的负载效应可被忽略,应该保证VCO中的频率调谐部分与谐振回路相耦合,此时,振幅才不会对有源频率调谐电路造成影响。虽然Vacker VCO在频率调谐过程中解决了负载效应问题,并且实现了优良的频率稳定性,但是由于该结构的振荡状态较难开启,限制了它的广泛应用。例如文献[4]报道了一款工作于4.8 GHz的Vacker VCO,取得了-124.9 dBc/Hz@1 MHz的优良相位噪声特性,然而,为了维持电路的振荡状态,需要消耗较高的功耗。

本文针对Vacker VCO的特点,提出了一种栅极电感反馈技术,用于克服Vacker VCO振荡开启困难的问题,该技术在没有外加额外开启电路的前提下,提供了一种确保电路振荡的简单方法。最终采用SMIC 0.13 μm RF CMOS工艺对本文所提出的VCO进行设计并流片实现,芯片测试结果表明,电路在较低的功耗消耗下,实现了优良的相位噪声。

1 振幅和频率稳定性分析

Vacker VCO是为了改善VCO的频率稳定性,在Colpitts VCO基础上发展起来的。图1(a)所示即为单端Vacker VCO结构的电路图,其中当CV=0,CX=∞时,即转换成Colpitts VCO[5]。

图1 Vackar VCO电路图和用于输出振幅计算的Vackar VCO的函数模型

为了研究Vacker VCO在频率调谐过程中的振幅稳定性,图1(b)给出了Vackar VCO的函数模型,其中Gm为大信号跨导。为了便于分析,我们只考虑信号的基波分量。

nCOLP=C1/(C1+C2)

(1)

在Vacker VCO电路中,CV隔离晶体管对LC回路的影响,CX用于频率调谐[4]。由图1(a)可得Vacker VCO的反馈系数nVACK为:

(2)

由式(1)和式(2)可见nVACK

VO,VACK≈2IBIAS·RP(1-nVACK)

(3)

上式表明晶体管的负载效应使振荡振幅退化到了(1-nVACK)倍,比较式(1)和式(2)可见,对于给定的偏置电流IBIAS和等效并联回路电阻RP,Vacker VCO的输出振幅大于Colpitts VCO的输出振幅。

为了分析Colpitts VCO在频率调谐过程中输出振幅的变化情况,将C2修改为C2+ΔC2,其中C2远大于ΔC2,利用式(1)可得Colpitts VCO的归一化输出振幅为[4]:

(4)

(5)

式中:ΔCX为CX的变化量。比较式(4)和式(5),结合nVACK

在零调谐电压下,Colpitts VCO的振荡频率ω0,COLP为:

(6)

(7)

利用式(6),可得Colpitts VCO的归一化频率变化量为:

(8)

(9)

振幅稳定性的改善降低了AM/PM转换为相位噪声的量。本文采用修正的Leeson模型[6]对Vacker VCO的相位噪声进行分析,在频偏Δω处,输出端的相位噪声为:

(10)

(11)

在频偏Δω处,Colpitts VCO的相位噪声为:

(12)

比较式(11)和式(12),结合VO,VACK>VO,COLP的结论,可得在相同的偏置状态下时,Vacker VCO的相位噪声要远优于Colpitts VCO。

2 电路设计

通过计算图1所示Vacker VCO中电感L的串联阻抗,可得该VCO的有效串联输入电阻为:

(13)

将式(13)转换成并联负阻抗RX为:

(14)

由式(14)可见,Vacker VCO的起振条件要比Colpitts VCO苛刻。为了解决这个问题,本文采用由M3和M4交叉耦合开关晶体管对组成的负跨导,如图6所示的本文提出的差分Vackar VCO电路中,并且在晶体管M1和M2的栅极插入电感Lg,将开关电流源操作于晶体管欧姆区和截止区之间。从晶体管M1和M2的漏极看进去的输入阻抗ZIN的实部为:

(15)

上式包含了晶体管的栅源极间电容CGS。由上式可见,Lg的引入,增加了电路的串联输入电阻,改善了起振状态。

图2所示即为本文所提出的差分VackarVCO电路图,其中包含了缓冲电路部分,为了避免信号通过低品质因数变容二极管的损耗,采用高品质因数的变容二极管CX与电感L11相连。CX用于实现VCO的频率调谐,采用对称的差分驱动电感L11和L22实现较高的品质因数,鉴于Lg的品质因数足够高,因此可以忽略它对相位噪声的影响。

图2 本文提出的差分Vackar VCO电路图

图3 差分Vacker VCO的芯片照片

3 芯片实现与测试

本文基于SMIC0.13μmRFCMOS工艺,对该VackerVCO进行了设计与芯片实现,电路仿真与版图设计都在Cadence软件中完成。图3给出了本文所设计的芯片照片,其中虚线框内为电路的核心部分,芯片总大小为0.7mm×0.5mm。该VCO的工作电压为1V,消耗的功耗为4.2mW,实现了与ColpittsVCO相比拟的较低功耗。图4所示给出了VCO输出振荡频率的测试结果,振荡频率为11GHz～12.6GHz,调谐范围为13.6%。该VCO在振荡频率11.8GHz处,相位噪声的测试结果如图5所示,可见在1MHz频偏处,相位噪声低至-115.1dBc/Hz,实现了超低的相位噪声。

图4 Vacker VCO振荡频率测试结果

图5 Vacker VCO相位噪声测试结果

表1给出了射频VCO的性能比较结果[7-10],其中品质因数FOM定义为:

(16)

式中:PN为相位噪声,fosc为振荡频率,Δf为偏移频率,PVCO为VCO所消耗的功耗。由表1可见,得益于所提出的优良电路结构,本文所设计的VCO取得了较优的性能。

4 结论

本文成功设计了一款采用源极电感反馈技术的CMOS差分Vacker VCO。Vacker VCO的振幅稳定性优于Colpitts VCO,而源极电感反馈技术简化了Vacker VCO的起振条件,使其更易于起振。最终基于SMIC 0.13 μm RF CMOS工艺对其进行设计并流片实现,该Vacker VCO振荡频率为11 GHz～12.6 GHz,实现了13.6%较宽的调谐范围,相位噪声低至-115.1 dBc/Hz@1 MHz,而电路仅消耗了4.2 mW的功耗。

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Design of a CMOS Differential Vackar VCO with the Gate Inductive Feedback*

LUOYonggang*

(College of Electrical and Electronics Engineering,Shandong University of Technology,Zibo Shandong 255049,China)

This brief presents a CMOS differential Vackar voltage-controlled oscillator(VCO)with gate inductive feedback which enhances negative impedance and thus simplifies the startup condition. Simple analysis examines the transistor loading effect and amplitude stability. Results indicate that the Vackar VCO has improved amplitude stability compared to the Colpitts VCO. The improved amplitude stability is favorable for reducing phase noise. The Vackar VCO was implemented in a 0.13 μm RF CMOS process. Measured results shows that the proposed VCO exhibits a operation frequency range from 11 to 12.6 GHz,a phase noise of -115.1 dBc/Hz at an offset of 1 MHz from an oscillation frequency of 11.8 GHz and a figure of merit of -190.3 dBc/Hz while dissipating 4.2 mW.

Vackar voltage-controlled oscillator;Inductive feedback;low phase noise;figure of merit