正交相位電壓控制振盪器

2.8.1 振盪器原理

圖2-19 LC 振盪器

相位雜訊及頻率調變範圍是一個電壓控制振盪器最關鍵的兩個參數，為了在 高頻時達到低相位雜訊的目標，一個具有高 Q 值電感的 LC 電壓控制振盪器會是 較好的選擇，但是卻很難同時達到低相位雜訊及高頻率調變範圍的標準，因此，

我們使用切換調變頻帶的機制來解決這個問題，為了滿足在發射器中的應用，我 們使用兩個LC 振盪器來產生正交相位的電壓控制振盪器，在本節中我們將描述一

個操作在10GHz 的正交相位電壓控制振盪器。

圖2-19 所示為一個LC振盪器，由一個LC共振腔及一個負電阻來補償電感的耗 損及維持振盪[31][32]，振盪頻率為式 2-14，Ctot為n1 之處的總電容。

tot

OSC LC

f 2π

= 1 (式 2-40)

圖2-20 負電阻的小訊號模型

現在我們來分析負電組的等效模型，圖2-20 為負電阻的架構及半電路，右半 部為小訊號等效模型，我們可以由小訊號分析推導出負電阻如式2-41 所示，當Z_i 小於或等於LC 共振腔的等效阻抗時，電路將會起振。

(

)

g Z R

b m O

i = − +

/ /

1

1

(式 2-41)

2.8.2 電感

電感在電壓控制振盪器中扮演著極為關鍵的角色，他直接影響著振盪器輸出 的相位雜訊，在電感中最重要的評估參數為 Q 值、自振頻率、以及面積，這些特 性的好壞跟佈局及製程的技術息息相關，在SONET OC192 的電壓控制振盪器的應

用中，我們所使用的電感為一個如圖2-21 的對稱式的電感，比起螺旋式電感在面 積上縮減極多，更重要的是對稱式電感的Q 值也會比螺旋式電感來的好[33]，因此 在雜訊方面會有較好的表現。

Ls=0.8nH N=3 L=96µm W=8µm S=2µm 圖2-21 對稱式電感

2.8.3 切換調變機制

為了降低相位雜訊經由電壓控制振盪器增益而放大，但是又希望頻率的可調 範圍增加，其中一個辦法就是將振盪器切換成多個頻帶，使得振盪頻率可以有很 大的調變範圍，而每一個頻帶都不需要太大的增益，每個頻帶間的重疊會涵蓋足 夠的範圍以防止溫度及製程漂移對電路造成的影響，因此在這個振盪器中，我們 使用了兩組以數位方式控制的可變 MOS 電容，2-bits 的數位控制方式可以使這個 振盪器分成四個頻帶，以數位方式控制較類比式好的原因是不會在電晶體部份導 通的情況下降低Q 值及增加相位雜訊。

而 在 每 個 頻 帶 的 微 調 部 分 ， 我 們 使 用 一 組 累 增 式MOS 可 變 電 容 (accumulation-mode MOS varactor )來作為調整振盪器頻率的機制，圖 2-22 所示即 為其架構圖，將一個NMOS放在n-well裡面，當VG小於VS時，在n-well中的電子會 從矽氧介面中移除，在那裡形成空乏區，此時等效電容為一個Cox串聯一個Cdep， 當VG超過VS時，矽氧介面會從n+的源極和汲極吸引電子而形成通道，此時的總電 容會提高如圖2-22 的曲線所示，因此我們得到了一個單調性的可變電容，在電壓 控制振盪器中，我們將MOS電容的G接到一個固定電壓上，而將D/S接到電荷幫浦

電路的輸出，藉由此輸出電壓來控制振盪器的輸出頻率[34]。

(a) (b)

圖2-22 累增式 MOS 可變電容 (a)架構, (b)C-V 曲線

2.8.4 正交相位電壓控制振盪器

圖2-23 正交相位電壓控制振盪器模型

正交相位電壓控制振盪器包含了兩個LC振盪器，兩個振盪器核心的輸出以m1 及m2 的比例交互耦合而成，因此將會產生相位差 90°的信號輸出，如圖 2-23 所示 為正交相位電壓控制振盪器的模型，每個振盪器都看成一個單增益回授系統，G1(ω) 和G2(ω)為兩個振盪器的開迴路增益，如果兩個振盪器的振盪頻率都在ω1時，兩個 振盪器的相角(X和Y)會滿足下列的方程式[35]：

(

) ( )

(

) ( )

由這兩個方程式的解可以得到 X=±Y，因此這兩個輸出的信號彼此會相差 90°。

圖 2-23 所示為正交相位電壓控制振盪器的電路圖，如前所述，對稱式的電感 有效地減少面積及提高Q 值，累增式 MOS 電容使振盪器有單調的增益曲線，兩組 以數位方式控制的MOS 電容並聯於累增式 MOS 電容，將振盪器輸出切成四個頻 帶，此外，爲了防止作為負電阻電晶體進入飽和區，在回授路徑上加了大電容，

使振盪器可以有更大的振幅及更高的共模電壓準位。

圖 2-24 所示為電壓控制振盪器頻率對電壓的模擬結果，模擬軟體主要是 HSpice。頻率調變範圍大約從 9.89GHz~11.36GHz，可以使電壓控制振盪器應用在 各個規格，每個頻帶的增益大約各為 400MHz/V，頻帶跟頻帶之間的重疊約為 200MHz，可以防止製程變異的影響。

圖2-24 正交相位電壓控制振盪器

圖2-25 電壓控制振盪器增益曲線