第四章 應用於 K 頻帶電壓控制振盪器之設計與實現
4.8 K 頻帶 LC 壓控振盪器之量測結果
本章 K 頻帶電壓控制振盪器是以製程廠標準 0.18-μm 1P6M CMOS 製程來實 現。圖 4-28 為壓控振盪器之晶片微影圖，包含 pad 之晶片總面積大小為 0.45 × 0.625 mm2。本次採用直接下針方式來進行量測，輸出訊號使用 G-S-G 的 RF 探針，
直流偏壓則是使用 P-G-P 的 DC 探針。圖 4-29 為本次量測儀器架設圖，直流電壓 源是由電源供應器 Agilent E3617A 來提供偏壓，以頻譜分析儀 Agilent E4407B 來 測量輸出訊號頻譜，並透過訊號源分析儀 Agilent E5052B 來觀察輸出相位雜訊。
V
CTRLV
BIASV
BUFV
COREV
OUT圖 4-28 壓控振盪器之晶片微影圖
83 Power supply
Agilent E3617A
K-band VCO Core chip
Signal source analyer Agilent E5052B Spectrum analyer
Agilent E4407B
圖 4-29 壓控振盪器量測架設圖
量測部分，在操作電壓為 0.8 V 時，調頻範圍約為 23.51 ~ 23.78 GHz，KVCO 則約 257 MHz/V，如圖 4-30 所示，而此次量測的頻率範圍和模擬有差異，將在下 一節進行討論。圖 4-31 為輸出頻譜圖，振盪頻率約 23.66 GHz，此時的輸出功率 約-19.42 dBm。圖 4-32 為相位雜訊量測圖，相位雜訊在載波偏移 100 kHz 處約為 -78.21 dBc/Hz，在載波偏移 1 MHz 處約為-106.45 dBc/Hz，在載波偏移 10 MHz 處約為-115.89 dBc/Hz。振盪器部分之功率消耗約 6.048 mW，緩衝放大器之功率 消耗則約 5.688 mW，此時 FoM 約-186.11 dBc/Hz。當操作電壓提高至 1 V 時，輸 出相位雜訊在載波偏移 1 MHz 處可達到約-109.04 dBc/Hz 左右，如圖 4-33 所示，
此時的 FoM 約-185.79 dBc/Hz；當操作電壓降到 0.65 V 時，壓控振盪器仍可正常 運作，相位雜訊在載波偏移 1 MHz 處約-106.02 dBc/Hz，如圖 4-34 所示，而 FoM 則可達到-189.76 dBc/Hz 左右。
84
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 23.5
24.0 24.5 25.0 25.5 26.0 26.5
Fr eq u en cy (GHz )
V
CTRL(V)
Measurement Simulation
圖 4-30 壓控振盪器之調頻範圍量測結果
圖 4-31 壓控振盪器之輸出頻譜圖
Frequency deviation is
about 2.34 GHz
85
圖 4-32 操作電壓為 0.8 V 時之相位雜訊量測圖
圖 4-33 高電壓(操作電壓為 1 V)時之相位雜訊量測圖
-78.21 dBc/Hz @ 100 kHz -106.45 dBc/Hz @ 1 MHz -115.89 dBc/Hz @ 10 MHz
-81.74 dBc/Hz @ 100 kHz
-109.04 dBc/Hz @ 1 MHz
-127.63 dBc/Hz @ 10 MHz
86
圖 4-34 低電壓(操作電壓為 0.65 V)時之相位雜訊量測圖
4.9 結果與討論
一個操作在 K 頻帶的 LC 電壓控制振盪器已經被實現且量測完畢。本次設計 致力於達到較低的相位雜訊及較佳的整體電路特性。為了改善相位雜訊，在共振 腔內加入了一組定電容來減少電感的使用，使得共振腔的品質因素能有效提升，
且在輸出端加入了共源極組態的緩衝放大器，降低負載效應的影響，同時也利於 和其他電路區塊進行晶片整合，此外，將緩衝器汲極端電阻改以電感來替換，以 降低減少雜訊干擾。在操作電壓為 0.8 V 下，調頻範圍約 23.51 ~ 23.78 GHz，KVCO
約 257 MHz/V 左右，相位雜訊部分在載波偏移 1 MHz 處約為-106.45 dBc/Hz，而 包含緩衝放大器之整體功率消耗約 11.74 mW，FoM 則約-185.1 dBc/Hz。在高電 壓(VDD = 1 V)情況下，相位雜訊在載波偏移 1 MHz 處可達到約-109.04 dBc/Hz，
FoM 約為-185.79 dBc/Hz；而在低電壓(VDD = 0.65 V)情形下，相位雜訊在載波偏 移 1 MHz 處約-106.02 dBc/Hz，FoM 則可達到約-189.76 dBc/Hz。晶片總面積大小 為 0.45 × 0.625 mm2。
-77.61 dBc/Hz @ 100 kHz
-106.02 dBc/Hz @ 1 MHz
-125.89 dBc/Hz @ 10 MHz
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此次振盪器量測所得到的調頻範圍和 KVCO與模擬結果會有較大的差距，推估 可能是連結共振腔上的部分走線未仔細納入 EM 考量所致，除此之外，一些電晶 體上的細微走線及穿層接口(Via)也不易代入 EM 模擬，導致無法精確的評估寄生 效應，使得輸出頻率產生偏移。為了修正頻飄問題，在共振腔輸出端部分加上一 對接地電容，來模擬未考慮到的寄生效應，如圖 4-35 所示。
V
DDM
1M
2V
CONTL
1L
2C V
O+C
1C
2V
O+Buffer Buffer
C
3= 73 fF C
4= 73 fF
圖 4-35 代入寄生電容模擬
經 ADS 模擬測試後，在代入約 73 fF 的電容值後，重新模擬得到調頻範圍約 23.54 ~ 23.77 GHz，KVCO約為 250 MHz/V，可看出得到的調頻範圍和 KVCO值會 和量測結果相近，如圖 4-36 所示。最後再以加入估算的寄生電容後，重新調整電 晶體參數，得到調頻範圍約為 25.8 ~ 26.15 GHz，KVCO約為 400 MHz/V，和原先 的模擬結果相近，如圖 4-37 所示。表 4-1 為壓控振盪器的文獻比較表，分別以高 電壓和低電壓兩種情形來比較電路特性，可看出在高電壓時，得到的相位雜訊較 低，但較高的功率消耗會使整體 FoM 被限制住。而低電壓時，雖然相位雜訊相 對不高，但由於功率消耗較小，所以最後得到的整體 FoM 值會較佳。
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Simulation with grounded cap.
圖 4-36 加入寄生電容修正後與量測結果比較圖
Simulation before modification Simulation after modification
圖 4-37 加入寄生電容重新調整參數後與原設計模擬比較圖
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Power voltage(V) 1 0.65 1.5 2.4 1.8 1 0.6
Operating freq.
(GHz) 23.17 23.55 25.38 21.3 20.7 23 23.33
Tuning range
(GHz) 23.1 ~ 23.38 23.51 ~ 23.78 24.7 ~ 25.3 21.05 ~ 21.65 19.1 ~ 20.9 22.7 ~ 23 22.1 ~24.3
Phase noise (dBc/Hz)