增加輸出功率

通常在諧振腔的功率增加時，會使得雜訊能量下降，進而使得相位雜訊改善，

在諧振腔的能量，是以2 ²

1CV 來儲存，其中 V 為正弦載波信號的振幅，C 為諧振腔

的電容值總和，為了維持Ls/Cs 為最大值的的考量，則使得 C 設計的變小，儲存在 諧振腔的能量就會降低，因此儲存在諧振腔能量的提升，需藉由V 來增加的，亦即 增加輸出振幅VO使輸出功率變大，相位雜訊相對就會降低。

综合以上的設計方法，如圖3.1所示為應用於超寬頻系統架構中其操作頻率設計在 7920 MHz的0.6V低電壓之壓控振盪器的基本架構。壓控振盪器是採用NMOS-交錯耦合 對加上交聯電容架構的設計方式，用負阻抗的觀點來設計製作電路，而為配合0.6V低電 壓操作，在M1及M2的閘極考量上，需要將閘極面積選取較大的面積，但又需要與能夠 維持一定的相位雜訊（phase noise），大面積的閘極會造成雜訊升高及消耗電流增加，因 此我們在源極和汲極加上電容來增加看入的負電導來抵銷電感所造成的損耗，並藉此提

升電路的品質因素，配合選取電容C10及C9使得M1及M2的品質因素能夠提升，原則是 將電容量選取較大，會使看入的負電導增加，但也會造成諧振電路（resonator）的頻率 偏移，並增加整體的設計取捨考量。

圖3.1 0.6V低電壓7.92GHz 壓控振盪器

在考量應用於超寬頻系統架構中，頻寬要求並不嚴謹，所以我們在變容二極體

（varactor）上並聯另一組電容，在差動輸出架構下，中端視為短路，因而並聯後與上述 的電容效果一樣，可以增加電路的品質因素，進而增加相位雜訊。

由於量測上的因素，壓控振盪器的輸出端必須加上輸出緩衝級，緩衝級輸入端的雜 散電容也會影響到振盪頻率，在緩衝級的設計上，其線性度要高，避免因非線性造成輸 出波形的失真或降低相位雜訊，而影響到輸出頻譜的純度，本電路選擇共源放大器結構 作為振盪器的輸出緩衝級。在此電路中所使用緩衝輸出級，能將壓控振盪器的輸出阻抗 輕易地匹配至50Ω 且為寬頻帶的匹配，此相對的簡化了壓控振盪器量測的問題。

§3-1-2 模擬及量測結果

圖3.2，圖 3.3 與圖 3.4 各為 VDD 等於 0.6V，0.62V 及 0.65V 利用 ADS 模擬軟體模 擬7.92GHz 信號輸出結果，在模擬時有考慮 layout 寄生效應、Pad 產生的效應。模擬的 結果如下：在0.6V 工作電壓下相位雜訊在 600KHz 的偏移下為-100dBc/Hz，1MHz 偏移 下為-104dBc/Hz，FOM 為 188 dB，輸出功率為-8.7dBm，頻率調整範圍為於 252MHz；

而實際量測以鎊線(Bond-wire)到 Rogers 基板上進行量測，並經由 E4445A 及 8564E 頻譜 分析儀量測電路的輸出功率、相位雜訊與頻率調整範圍特性，考量接線的損耗約2dB 的

結果如下：在0.6V 工作電壓下相位雜訊在 600KHz 的偏移下為-93dBc/Hz，1MHz 偏移 下為-104dBc/Hz，FOM 為 185 dB，輸出功率為-12dBm，頻率調整範圍為於 325MHz。

由於 0.6V 工作電壓下量測的輸出功率偏低，故針對不同工作電壓做比較，逐對工 作偏壓採用0.62V 及 0.65V 的工作電壓進行模擬和量測 7.92GHz 的信號輸出，模擬的結 果如下：在0.62V 工作電壓下相位雜訊在 600KHz 的偏移下為-105dBc/Hz，1MHz 偏移 下為-110dBc/Hz，FOM 為 190 dB，輸出功率為-7.7dBm，頻率調整範圍為 246MHz；在 0.65V 工作電壓下相位雜訊在 600KHz 的偏移下為-106dBc/Hz，1MHz 偏移下為 -111dBc/Hz， FOM 為 190 dB，輸出功率為-6.9dBm，頻率調整範圍為 244MHz。

而對工作偏壓採用0.62V 及 0.65V 的實際量測如下：在0.62V 工作電壓下相位雜訊 在600KHz 的偏移下為-98dBc/Hz，1MHz 偏移下為-107dBc/Hz，FOM 為 186 dB，輸出 功率為-10dBm，頻率調整範圍為 303MHz；在 0.65V 工作電壓下相位雜訊在 600KHz 的 偏移下為-102dBc/Hz，1MHz 偏移下為-109dBc/Hz， FOM 為 187 dB，輸出功率為-8dBm，

頻率調整範圍為295MHz。圖 3.5 為諧波量測結果與二次諧波相差約 21dB，而圖 3.6 為

vct=dBm(voutp[::,1])=-9.0610.600 m8vct=

dBm(voutp[::,1])=-8.5390.000

(c) 0.6V 輸出功率模擬結果 (d) 0.6V 輸出功率量測結果

freq[::,1]=7.771E90.600 m4

vct=freq[::,1]=8.023E90.000

(e) 0.6V 頻率調整範圍模擬結果 (f) 0.6V 頻率調整範圍量測結果 0.6v tuning range compare

Simulation

0.10 0.20 0.30 0.40 0.50

0.00 0.60

0.10 0.20 0.30 0.40 0.50

0.00 0.60

freq[::,1]=7.774E90.620 m4

vct=freq[::,1]=8.020E90.000

0.62v tuning range compare Simulation

0.2 0.4 0.6 0.8

0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60

0.00 0.65

freq[::,1]=7.771E90.650 m4

vct=freq[::,1]=8.015E90.000

(e) 0.65V 頻率調整範圍模擬結果 (f) 0.65V 頻率調整範圍量測結果

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 7.70

7.75 7.80 7.85 7.90 7.95 8.00 8.05

Frequency (GHz)

Vct (V)

0.65v tuning range compare simulation

measurement

(g) 0.65V 頻率調整範圍模擬與量測結果比較 圖3.4 0.65V 電路模擬結果

圖3.5 諧波信號量測結果

0.53mm

GND GND

0.6V 0.6V

0.68mm

GND GND

OUT- OUT+

GND VCT VBS GND

圖3.6 應用於超寬頻 0.6V 低電壓之壓控振盪器佈局圖及實際電路

圖3.7 應用於超寬頻 0.6V 低電壓之壓控振盪器測試板佈局圖及實際電路

§3-1-3 討論

此顆 0.6V 低電壓之壓控振盪器，整體電路用 TSMC CMOS 0.18um 的製程來設計製 作，採用NMOS 交錯耦合對的 LC 調諧壓控振盪器加上交聯電容架構設計電路，在使 用0.6V 的電壓下，產生 7.92GHz 信號輸出，相位雜訊在 1MHz 偏移下為-104dBc/Hz ， FOM 值為 185，功率消耗僅有 0.54mW，將可應用在超寬頻( Ultra Wideband )系統上使 用。表3.1 為預計 0.6V、0.62V、0.65V 偏壓 下，晶體規格與量測結果列表，其中頻率 調整範圍皆較預估來的寬，可能為實際累加型可變電容的變化比模擬寬，輸出功率因鎊 線及測試板匹配等問題較模擬低，由表中也得到，當偏較高時，提供的負阻較大，相位 雜訊及輸出功率都有提升，但是消耗功率也因而較高。表3.2 為與其他低電壓之壓控振 盪器論文的比較表。

表3.1 【電路 1】應用於超寬頻 0.6V 低電壓之壓控振盪器模擬與量測總表 Parameters Sim

0.6 V Output Power (dBm)

(2dBm cable loss) -9 -12 -8 -10 -7 -8 Phase Noise

@600KHz offset (dBc/Hz) -100 -93 -105 -98 -106 -102 Phase Noise

@1MHz offset (dBc/Hz) -106 -104 -110 -107 -111 -109

Tuning Range

(%) 4.1 8.9 NA 29.12 16.6

Power consumption

(mW) 0.54 0.696 2.77 1.2 3.5

Phase Noise (dBc/Hz)