§3-3 應用於 WIFI 低功率雙頻段四相位壓控振盪器設計
2. 高頻段（5.2GHz）模擬結果
var("VI-.pnmx"), dBcvar("VQ+.pnmx"), dBcvar("VQ-.pnmx"), dBc
m3noisefreq=
dBm(var("VQ+")[::,1])=-3.9720.000 m7 Vcont=
freq[::,1]=4.994E90.000 m5 Vcont=
var("VI+"), mVvar("VQ+"), mV
(e) VQ＋與 VI＋相位正交特性
圖3.30 低功率雙頻段四相位壓控振盪器模擬高頻段 5.2GHz 特性
實際量測以鎊線(Bond-wire)到 FR4 基板上進行量測，並經由 E4445A 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，二次諧波等特性，考量接線的損耗在 2.4GHz 及 5.2GHz 時約 0.7 dB 及 1.5dB，在 1.3V 操作電壓下與模擬相比較的結果，在 低頻段的操作頻率相差約320MHz 的頻偏，功率輸出相差約 16dBm，其結果如圖 3.31，
高頻段的操作頻率相差約1100MHz 的頻偏，功率輸出相差約 45dBm，考慮製程偏移及 佈局效應，在量測高頻段時調整工作偏壓等於 1.5V 後重新量測，其結果如圖 3.32。整 理量測的結果如下：在低頻段，輸出頻率為 2.79GHz，相位雜訊在 600KHz 偏移下為 -101.4dBc/Hz，在 3MHz 偏移下為-119.1dBc/Hz，輸出功率為-16dBm，頻率調整範圍為 156MHz，諧波量測與二次諧波相差約 26dB；在高頻段，輸出頻率為 4.63GHz，相位雜 訊在 600KHz 偏移下為-91.3dBc/Hz，在 3MHz 偏移下為-116.4dBc/Hz，輸出功率為 -21dBm，頻率調整範圍為 301MHz，諧波量測與二次諧波相差約 34dB。所設計的低功 率雙頻段四相位壓控振盪器電路佈局圖及實際電路圖如圖3.33 ，而圖 3.34 為低功率雙 頻段四相位壓控振盪器測試板佈局圖及實際電路。
(a)相位雜訊量測結果 (b)輸出功率量測結果
(c)頻率調整範圍量測結果 (d)諧波量測結果
圖3.31 低功率雙頻段四相位壓控振盪器量測低頻段 2.4GHz 特性
(a)相位雜訊量測結果 (b)輸出功率量測結果
(c)頻率調整範圍量測結果 (d)諧波量測結果
圖3.32 低功率雙頻段四相位壓控振盪器量測高頻段 5.2GHz 特性
Vsw Vd
VB VB
GND GND
0.899mm
VI+ VQ+
GND GND
VI- VQ-
VT VDD
1.1mm 圖3.33 低功率雙頻段四相位壓控振盪器設計佈局圖及實際電路
圖3.34 低功率雙頻段四相位壓控振盪器測試板佈局圖及實際電路
§3-3-4 討論
雙頻帶四相位壓控振盪器採用簡化型壓控振盪器設計，將傳統的互補式振盪器架 構作改良，即移除一個PMOS 電晶體及一個 NMOS 電晶體來減少佈局上的跨線，再配 合一顆 Switch 電晶體，做切換頻帶開關，即可達到雙頻帶的效果。再利用 2 組額外的 NMOS 及 PMOS 將兩個雙頻段壓控振盪器交錯耦合的連接方式去產生四個相位的訊號 的輸出。實際量測結果在1.3V 工作電壓下，在低頻段的操作頻率相差約 320MHz 的頻 偏，功率輸出相差約16dBm，而高頻段功率輸出異常，頻率漂移甚大，推測可能是開關 電晶體在高頻帶操作時導通不完全所引發整體電路品質因素值下降，進而使得振盪頻率 大幅的往低頻漂移，並使得諧振電路所需要的負阻增大，輸出功率下降，故在量測高頻 段調整工作偏壓等於 1.5V 後重新量測，並與模擬相比較，在操作頻率相差約 700MHz 的頻偏，功率輸出相差約18dBm，總整電路造成量測與模擬特性差異的原因可能是對部 分佈局走線的影響、晶體開關寄生效應及製程偏移考慮不夠，使得把一些未考慮周全的 走線效應、鎊線效應帶入製程偏移模擬則頻率與量測結果較為趨近。表3.6 為使用 1.3V 及 1.5V 偏壓低功率雙頻段四相位壓控振盪器設計模擬與量測規格結果列表。主要表現 在功率消耗上為低功率損耗，輸出為雙頻段四相位輸出，是目前較新沒有論文提出的電 路設計方式。與其它雙頻段的壓控振盪器 paper 比較表現如表 3.7。
目前因實驗室儀器無法提供量測相位正交特性，待日後有相關設備儀器時再行量測 補齊資料。
表3.6 【電路 3】低功率雙頻段四相位壓控振盪器設計模擬與量測規格表 Parameters Simulation1.3 V Measurement
1.3 V
Phase Noise
@600KHz offset (dBc/Hz)
-101 -101 -100 -91
Phase Noise
@3MHz offset (dBc/Hz) -121 -119 -119 -116 Power Consumption
(mW) 3.64 5.46 3.64 6.75
FOM(dB) 173 171 178 171
表3.7 【電路 3】電路之效能與其他雙頻段四相位壓控振盪器的比較表 Parameters This work [25] [26] [27]
Technology
(μm) 0.18 0.18 0.25 0.18
Quadrature
Phase out Yes No No No
fosc(GHz) 2.4/5.2 0.667/1.125 1/2 0.865/1.812 Supply -119/-116 -124/-123 -138/-132 -125/-123 Phase Noise
(dBc/Hz)
Offset MHz 3 3 3 3
FOM(dB) 171/171 172/176 178/177 176/181