第二章 60GHz 使用覆晶封裝技術之反對稱二極體混頻器
3.4 實作一，靜態電流注入與動態電流注入
3.4.1 研究動機
單晶射頻積體電路(RFIC)在提供小面積、高重製性、高穩定性及 在大量生產時的低價格方面，給射頻技術一個很好的選擇。而矽晶片 的優點就是高整合度。而 CMOS 因為製程技術進步能應用在高頻操 作，此外，具易積體化的優點可實現系統單晶片(SOC)。
因為 direct conversion 架構不需使用外接的濾波器，可以由單一 積體電路來實現，所以最經濟，但 SNR 受閃爍雜訊的影響很大，所 以本實作將實現電流注入之降頻器電路以降低接收機的閃爍雜訊，有 兩種形式，靜態電流注入與動態電流注入。
3.4.2 電路設計
(1) 電路架構
此次電路實作，是使用 TSMC CMOS 0.13m製程來實現，利用 電流注入的方法來降低混頻器的閃爍雜訊，由 o n, 4
V
ni I
S T
可知，
i
o n, 與 I 成正比，也就是流經 LO 的 DC 電流越少的話，輸出端的雜訊電 流i
o n, 也會因而變少。(2) 靜態電流注入
在 Gilbert Cell 外加上電流注入裝置，如圖(3.20)所示，目的是限
降低流過 LO switch 的電流 I 可壓抑直接開關雜訊機制中的雜訊脈衝 大小(理論上是 2I)，因此降低 switch 整體的顫動雜訊。
LO
+
-RF
IF
Vctrl
VDD
圖(3.20) Gilbert mixer with static current injection
(3) 動態電流注入
真正探究混頻器閃爍雜訊的成因[2]，將 RF 轉導級視為一 current sources，若Vn為等效的 flicker noise source，那包含 flicker noise 頻率 成分的輸出電流，只有在輸入的 LO 弦波和Vn的 zero-crossing 點才會 產生。因此不用一直使用電流注入的裝置，只需要在適當的時機讓產 生電流注入的效果即可，如此一來，在不影響增益、線性度及功率消 耗的狀況下，仍然可以降低閃爍雜訊，此技術稱為動態電流注入技 術，見圖(3.21)。
Vctrl
LOp
LOn
RFp RFn
IFp
IFn
圖(3.21) Gilbert mixer with dynamic current injection
3.4.3 晶片量測結果
(1) VC
0.3
V 抽走最多LO switch電流，VC 1.2
V 關掉注入裝置：RF 1.01
GHzLO 1
GHzLOpower
5
dBm1 10 100
圖(3.22) Static與不同的注入電流
1 10 100
圖(3.23) Dynamic與不同的注入電流
(2)
LOpower
5dBm
，LO frequency 1GHz
、1.5GHz
、2GHz
：圖(3.24) Static與不同的LO頻率
1 10 100
1 10 100
圖(3.26) Static與Dynamic的比較 (4) Static與Dynamic的conversion gain：
-15 -10 -5 0 5 10 15
圖(3.27) Static的conversion gain
-15 -10 -5 0 5 10 15 -10
-5 0 5 10 15
Conversion Gain(dB)
LO Power(dBm)
Vc0.2V Vc0.5V Vc1.2V
圖(3.28) Dynamic的conversion gain (4) Static與Dynamic的die photo：
圖(3.29) Static die photo (0.82mm x 0.90mm)
圖(3.30) Dynamic die photo (0.89 mmx 0.85 mm)
3.4.4 結果與討論
由3.4.3晶片量測結果可知，因為Static與Dynamic兩種電流注入裝 置都受注入電流大小的影響，且使用的LO頻率越低，noise也越低，
這是因為LO頻率越低，zero-crossing點出現的次數越少，LO開關級對 輸出端貢獻雜訊電流的次數也變少。另外值得討論的是，圖(3.26)中 我們看到Static比起Dynamic具較高的白雜訊，這是因為Static裝置是處 於一直開的狀態，所以另外貢獻了白雜訊。圖(3.27)與圖(3.28)中我們 可看到當我們調整注入電流的大小時，Static的conversion gain會跟著 變動，這主要是因為持續開的Static current injection抽走了LO開關級 的DC電流，使從LO開關級source端向上看的
1
gm阻抗變大，促使iRF 向current injection漏過去，所以抽走越多電流時，
1
gm越大，iRF漏走 更多，因此得到較低的conversion gain，反觀Dynamic current injection
只在zero-crossing點on，所以對conversion gain的影響不大。
表3.4 Glbert mixers with static and dynamic current injection 量測結果比較
Glbert mixers with static and dynamic current injection (TSMC 0.13μm CMOS)
Ite m Static
(0.82 x 0.90mm2)
Dynamic
(0.89 x 0.85 mm2)
Fre quenc y(GHz)
RF/LO/ IF 1.01/1/0.01 1.01/1/0.01
Conversion Gain(dB )
@current i njecti on off 5 5
Mi xer flicker noise corner
(MHz) 30 26
Mi xer white noise
(dB ) 14 12
P1dB (dB m) -15 -16
Suppl y Voltage 1.2V 1.2V
Suppl y Current 11.8mA 12mA