第五章 小型低功率低相位雜訊 壓控振盪器
四、 二階諧波項的抑制
由於電晶體的非線性影響，振盪會產生二階以上的諧波是我們所不想要的，
其中尤以最接近基頻、共模態(Common mode)的二階諧波為甚。
本電路架構中，振盪頻率既是差動輸出，於振盪頻率為虛接地的電感中點 (center tap)，多接了一顆 Cpass（見圖67 ），在圖 66 中，針對兩倍頻諧波的共模 態我們可將電路簡化為單端，串連的 L 值變成一半；並連到地的 Cpass值維持不 變。因而設計使L/2 與 Cpass在兩倍振盪頻的時候做一LC 短路到地的串聯共振，
使兩倍頻接到地去。此法僅需多加一顆不大的電容即可達成抑制兩倍頻諧波的效 果，也只增加些微使用面積。（與3.2.4.3 節，[6]多加一電感二電容比較）
二階諧波是共模態，對已固定一端電壓為控制電壓的可變電容來說，共模態 的雜訊會對容值(振盪頻率)造成些微的頻飄，降低相位雜訊的表現。而在串連 LC 共振中，由於L 值我們已在前面 5.1.1 小節中提過，儘量將 L 值縮小，此處的單 端串連共振，L 值更是只有原來一半，串連共振在二倍頻以電容為主要成份，則 頻寬會比較寬，所以除了濾除二階諧波，新增一到地的 Cpass 電容也同時具備了 濾除高頻共模態雜訊以及讓差動模態的振盪頻率虛擬短路到地功能更加確實。
L (for fo)
Cpass
L 2
2fo 2fo 2fo
Cpass
圖66 本電路使用的輸出端二階諧波濾除電路
第二節 整體電路架構
圖67 是本壓控振盪器核心電路，主要藉由電流再利用架構與逆向基板偏壓 的技術來實現低功率的壓控振盪器。在增加波形對稱性的考量上，藉由調整L/C 的比值與利用逆向基板偏壓限流來達成低相位雜訊的要求。除此之外，還能藉由
C
pass來降低兩倍頻共模諧波及高頻共模雜訊對相位雜訊的影響。為了避免負載拉 頻效應，兩端輸出還有接上一組共源極組態的緩衝。將於第三節秀出模擬與量測 結果。圖67 本論文提出之低功率低相位雜訊 5.2GHz 壓控振盪器核心電路圖
第三節 模擬與量測結果
圖68 是本電路的晶片照片。在佈局考量方面，電路本身面積不大，核心面 積只有0.33 x 0.45mm2，但是由於CIC 基於下探針考量，有規定相鄰邊兩排 Pad 的最小間距，因而不得已將佈局擴大，造成部份面積的浪費。量測是採用On-wafer 的方式，振盪器輸出端接上CIC 提供的 Agilent E5052A (Signal Spectrum Analyzer, SSA)，以及實驗室提供的高速示波器 Tektronix DPO 71254 (12.5GHz Oscilloscope) 量測實際時間軸上的波形。以下量測感謝CIC 及實驗室提供量測設備上的支援。
此外，量測時考慮到本電路的特性，最後分成低相位雜訊與低功率消耗兩種偏壓 設定來做效能上的比較。
電壓供應由於想儘量降低功耗，所以值是現場調整到的值，低相位雜訊設定 是1.25V＠1.52mA (1.9mW)、低功率設定是 1V＠1mA (1mW)。頻率可調範圍(圖
71 )是 5.12～5.36GHz，涵蓋了規格的 5.15～5.35GHz，調整電壓是從 0V～1.3V。
而相位雜訊見圖69 、圖 73，是低相位雜訊設定時的量測值：-118.9 dBc/Hz @ 1MHz offset，振盪於 5.14GHz，此時輸出功率為 -3.1dBm；圖 74 是低功率消耗 的設定：-115.6 dBc/Hz @ 1MHz offset，振盪於 5.12GHz，此時輸出功率為 -7.4dBm。圖 72 是低相位雜訊設定時的輸出功率對控制電壓的變化，從-2.4dBm
～ -5.6dBm。圖 75 是濾除二階諧波的頻譜圖，二階諧波與基頻差了-34.9dB；圖 76 以雷射切割方式將濾除二階諧波電容切除後的頻譜圖，二階諧波與基頻僅差 了-23.9dB，由此可見增加該 Cpass電容在二倍頻(10.XGHz 附近)有著約 11dB 的抑 制效果。圖77 是由高速示波器量測到的對稱波形。此波形振盪於 5.13GHz，擁 有384mVp-p的電壓擺幅。最後是表五的模擬與量測結果比較總結。
圖68 本壓控振盪器之晶片照片
C
Co o re r e S Si iz ze e : : 0 0 .3 . 33 3 x x 0. 0 . 45 4 5 mm m m
22RF GSG
DC 6 pin
RF GSG
圖69 SSA 測得相位雜訊 -118.9dBc/Hz @ 1MHz offset，振盪於 5.14GHz，輸出功率為-2.4dBm
圖70 有/無逆向基板偏壓的相位雜訊量測結果
圖71 頻率可調範圍與敏感度
圖72 輸出功率的量測結果
圖73 低相位相位雜訊設定的相位雜訊量測抓圖
圖74 低功率設定的相位雜訊量測抓圖 （此時電流為 1mA，電壓 1V，功耗為 1mW）
-3.4dBm@5.14GHz -38.3dBm@10.28GHz
圖75 濾除二階諧波的頻譜圖，二階與基頻差了-34.9dB
-4.6dBm@5.12GHz -28.5dBm@10.24GHz
圖76 以雷射切割方式將濾除二階諧波電容切除後的頻譜圖，二階與基頻僅差了-23.9dB
圖77 Tektronix DPO 71254 (12.5GHz Oscilloscope)量測到的對稱波形
表5 小型低功率低相位雜訊壓控振盪器之模擬量測結果總結
A Compact Low Power Low Phase Noise VCO
Result Simulation Low phase noise Low power config.
Process TSMC 0.18 μm 1P6M CMOS
Supply Voltage (V) 1.3 1.25 1
Frequency Range (GHz) 5.13~5.37 5.12~5.36
Phase Noise -119.4 -118.9 -115.6
Power consumption (mW) 1.2 1.9 1
Output Power (dBm) -1.6 -3.1 -7.4
2nd Harmonic Rejection (dB) 12 11
Vct (V) 0~1.3V 0~1.3V 0~1.3V
Core Die Size (mm2) 0.149 (0.33*0.45)