第四章 X 頻帶頻率合成器的前端電路設計
4.8 量測結果
一 個 雙 頻 段 變 壓 器 回 授 之 壓 控 振 盪 器 已 經 被 實 現 在 製 程 廠 標 準 0.18-μm 1P6M CMOS 製程上。本次量測採用 On wafer 方式量測，射頻訊 號採用 G-S-G RF 探針。供應電壓與控制偏壓則是採用 6-pin 直流探針。量 測儀器部分，使用電源供應器Agilent E3617A 提供直流電壓；使用頻譜分 析儀Agilent E4440A 量測頻譜；使用訊號分析儀(Signal Source Analyzer，
SSA)Agilent E5052B 量測相位雜訊及調變範圍，量測架設如圖 4-36。
Power Supply 頻率範圍為 9.24~9.55GHz，低頻頻段輸出頻率範圍為 8.805~9.08GHz，如 圖 4-37。高頻頻段的相位雜訊在載波偏移 1MHz 處為-102.95 dBc/Hz，
10MHz 處為-131.92dBc/Hz，如圖 4-38(a)；低頻頻段的相位雜訊在載波偏 移 1MHz 處為-92.199dBc/Hz，10MHz 處為-128.73dBc/Hz，如圖 4-38(b)。
圖 4-39(a) 為高頻頻段，控制電壓(Vctrl)為 0.5V 時，振盪器輸出端(RFout)頻 譜圖。而圖 4-39(b) 為高頻頻段，控制電壓(Vctrl)為 0.5V 時，CML 輸出端 (RFout2)頻譜圖。透過頻譜圖的量測結果可知 CML 預除頻電路可正常操作。
X 頻帶頻率合成器前端電路的晶片微影圖，如圖 4-40。晶片面積為晶片總 面積為 0.675×0.725 mm2。表一為本次量測功率消耗模擬量測比較表，發
現 VCO 實際的消耗功率比原先還要大。表 4-2 為壓控振盪器模擬與量測數
Measurement KVCO=201 MHz/V Simulation KVCO=600 MHz/V
Measurement KVCO= 205 MHz/V Simulation KVCO= 480 MHz/V
圖 4-37(b) 低頻頻段輸出頻率範圍
圖 4-38(a) 相位雜訊圖 (高頻頻段 9.42GHz)
圖 4-38(b) 相位雜訊圖 (低頻頻段 8.835GHz)
圖 4-39(a) 振盪器輸出端(RFout)頻譜圖
圖 4-39(b) CML 輸出端(RFout2)頻譜圖
圖 4-40 頻率合成器前端電路晶片微影圖 表 4-1 功率消耗模擬量測比較表
Post-sim 量測
壓控振盪器功耗 (mW) 8.25 10.5
緩衝器(mW) 3.6 4
預除頻器功耗(mW) 13.5 14
表 4-2 頻率合成器前端電路模擬與量測數據比較表
Post-sim 量測
輸出頻率範圍 (GHz) 10.45~10.85 (高頻段) 9.24~9.55 (高頻段) 9.65~9.95(低頻段) 8.805~9.08 (低頻段) 相位雜訊(dBc/Hz) @1MHz -101(高頻段) -102.95(高頻段)
-101(低頻段) -92(低頻段)
KVCO (MHz/V) 600 201
480 205
功率消耗(VCO+CML) (mW) 25.35 28.5
4.9 結果與討論
由上一節的量測結果來看，本節討論重點會著重於壓控振盪器的設 計上。首先在功率方面，這次晶片的量測在 VDD 為 0.75V，VCO 的電流 都約在 14mA，與模擬(約 11mA)有差距。筆者認為應該是在模擬的時候都 只注意到靜態功率消耗，而忽略了振盪時的動態功率消耗。再者為相位雜 訊方面，在高頻模式時量測跟模擬模擬大致差不多，不過在低頻模態都偏 低，估計應是高低頻段的寄生效應不同，而導致了共振腔 Q 值在高頻段及 低頻段的差異。最後要特別注意的是這次量測的調變範圍及 KVCO 與模擬 數據有很大的差距，尤其是輸出頻率範圍往低頻飄移約 1GHz 多。初步評 估應該是在模擬電壓控制振盪器時，只有模擬 LC-Tank 的部分，忽略了主 電路到緩衝器(Buffer)及 CML 的走線線段，使其寄生效應無法精準的模擬 到，故導致這次頻率的飄移。由這次量測可以猜測本次設計的壓控振盪器，
在輸出端的走線線段上有一些寄生電容效應並未考慮到。為了修正這個頻 飄問題，以下將提出方法解決。
首先，在原先的主電路輸出端及緩衝器間加入一組接地電容，代表 之前未考慮到的寄生電容，如圖 4-41 所示的 C3、C4。
圖 4-41 線段的寄生電容
M1 M2 LD
LS
C1 C2
Vctrl
LD
Buffer Buffer
Switch Circuit Vswitch
First Stage CML Divider
LS
C3 C4
圖 4-42 代入線段寄生電容模擬
接著開始預估線段的寄生電容值。透過量測數據，我們在輸出端代 入寄生電容 C3、C4 進行模擬，如圖 4-42。目的在測出代入何種電容值後，
可以使電路的 KVCO及輸出頻率範圍與量測數據(即圖 4-37)一致，藉此預估 線段寄生電容值。經 ADS 測試後，在高頻頻段 C3、C4代入約 214 fF 的電 容值，可以符合圖 4-37(a)的輸出頻率範圍，結果如圖 4-43(a)；在低頻頻 段時，C3、C4代入約 180 fF 的電容值，可以符合圖 4-37(b)的輸出頻率範 圍 ，結 果 如圖 4-43(b)。所以我們大致可以知道少估算的電容值約在 180~214fF 之間。
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
Post-sim after Modification KVCO= 590 MHz/V Post-sim before Modification KVCO= 600 MHz/V
圖 4-44(a) 輸出頻率範圍 Post-sim 與修正後比較圖(高頻頻段)
Post-sim after Modification KVCO=450 MHz/V Post-sim before Modification KVCO=450 MHz/V
圖 4-44(b) 輸出頻率範圍 Post-sim 與修正後比較圖(低頻頻段)
最後，調整電晶體的參數，使其符合原先設定的 9.75/10.6GHz 頻段(即 圖 4-30)。經過測試後，發現將電晶體的尺寸(寬度、finger 數)調小，則頻 率就會向上修正，如圖 4-44。這個修正方法將在下一個章節的頻率合成器 中得到驗證。
表 4-3 為文獻比較表。本次實作了一個 X 頻帶雙頻段的壓控振盪器。
在相位雜訊方面，與其他文獻表比較起來是較為不足(大部分 X 頻帶壓控 震盪器的相位雜訊再載波偏移 1MHz 處都以-110dBc/Hz 為目標)。原因可 能在於在輸出端多加了一個開關電路，開關電路中的電晶體 Filcker Noise 影響了相位雜訊的表現。在功率消耗方面，與其他文獻表比較起來也算較
Phase Noise (dBc/Hz)
-102.95@1MHz -110@1MHz -127@3MHz -101@1MHz -116 @1MHz
Supply Voltage(V) 0.75 0.4 2.5 1.2 2
KVCO(MHz/Hz) 600(High Mode) 480(Low Mode)
N/A 1391 N/A N/A
Power (mW) 10.5 1.08 50 4.8 72
FOM -172 -187 -180 -176 -178
*FOM=