LC 壓控振盪器之被動元件

對於 LC 壓控振盪器而言，共振腔的設計是一大重要環節。振盪器的輸出振 盪頻率主要是由共振腔的電感和電容決定，且共振腔的品質因素也決定了相位雜 訊的好壞。隨著無線通訊快速發展，射頻電路已成為其中關鍵性的設計，而在高 頻電路中，電路特性深受元件的非理想效應影響，因此高頻被動元件在射頻積體 電路中已是研究的重點之一。

對於電抗元件而言，品質因素的定義為：

Q = 2π × E_stored

Edissipation (4-28)

其中，E_stored為元件每一週期儲存的能量，Edissipation為元件每一週期消耗的能量。

所以若 Q 值愈高，代表元件相對的損耗愈小，相位雜訊則會愈低。共振腔的品質 因素主要是由電感和電容決定，因此整體共振腔的品質因素為：

Q_tank = Q_C || Q_L (4-29) Q_C為電容的品質因素， Q_L為電感的品質因素。而電容的品質因素比電感還要高，

所以共振腔的品質因素主要受到電感影響，因此電感的設計將關係到振盪器的相 位雜訊好壞。

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4.6.1 電感

如前言所述，在 VCO 中，電感主宰了整個共振腔的品質因素，其特性影響 了振盪器的輸出相位雜訊。電感的品質因素可表示為：

Q = ωL

R_s × R_substrate × Rself-resonator (4-30) L 為電感值，R_s為串聯寄生電阻，R_substrate為基底損耗因子(Substrate loss factor)，

Rself-resonator 為自振頻率因子(Self-reasonator factor)。低頻時，電感 Q 值可表示為

ωL/R_s，由金屬線本身損耗來決定 Q 值，但是當頻率逐漸上升時，基底損耗及矽 基板與金屬線間的寄生電容損耗會使得基底損耗因子和自振頻率因子下降，導致 整體 Q 值降低。因此針對高頻電路設計時，需更加考量電感特性。

電感的品質因素主要受限於金屬線圈的損耗、金屬線對基板的耦合損耗及電 磁性損耗。比對元件結構及各個寄生效應影響，可繪製出電感的等效模型，如圖 4-16 所示，L_s為理想電感，R_s 為電感的寄生電阻，C_s為金屬線間的耦合電容，

C_ox為金屬線到基板的寄生電容，C_sub為基板的寄生電容，R_sub為基板的寄生電阻。

C

R

C

R

C

C

C

L

R

圖 4-16 電感等效電路圖

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由圖 4-16 及式(4-30)可知，為了降低電路損耗以提升共振腔 Q 值，設計電感 時應注意：

A. 選擇上層且較厚之金屬線：

愈上層的金屬和基底之間的寄生電容效應會愈小，可減緩自振頻率因子降 低的比例。另外，較厚的金屬層會有較小的串聯寄生電阻，同時減少了金屬 線本身的寄生損耗。

B. 電感線圈不宜過多，面積不宜過大：

圈數過多且面積過大的電感，除了金屬線累積的寄生電阻及線圈間的耦合 電容效應會增加以外，對基板的寄生電容也會增加，且在高頻操作下，電感 的磁場會在矽基底產生感應電流，因此減少線圈面積可減少額外的電流損 耗。

C. 電感中央應避免佈線：

高頻時，為了避免渦漩電流(Eddy current)過度集中於導線內側，使得導線 電阻增加，Q 值變差，所以應盡可能減少電感中央的佈線，以維持較大的空 白區域。

4.6.2 變容器(Varactor)

變容器指的是可調控容值變化的電容器，對壓控振盪器來說，變容器可改變 共振腔的電容性，藉以調整振盪器的輸出頻率。常用的變容器分為二極體變容器 及 MOS 變容器，二極體變容器主要是以 PN 逆偏來產生一個與電壓相關的接面 電容，而 MOS 變容器則是將 MOS 電晶體的汲極端與源極端相接，以閘極氧化層 作為介電質，並藉由調整閘極與源極和汲極之間的偏壓來改變電容性。由於閘極 氧化層的介電性質較 PN 接面佳，且由於製程技術持續進步，電晶體尺寸不斷的 縮小，閘極氧化層變得更薄使得電容性提升，通道長度變短也讓寄生電阻下降，

所以相對於二極體變容器，MOS 變容器會有比較好的品質因素，因此 VCO 在設 計上大多是採用 MOS 變容器。

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MOS 變容器主要可分為 PMOS 和 NMOS 兩大類，但 PMOS 對基底雜訊的隔 離度較高，且 PMOS 電晶體的熱載子效應(Hot carrier effect)較 NMOS 小，所以 PMOS 在抗雜訊能力表現上會較 NMOS 來的佳。圖 4-17(a)為 PMOS 變容器的剖 面示意圖，圖 4-17(b)則為 PMOS 的電容對電壓變化曲線。

P-substrate N-well

P

P

D = S G

C

V _CTRL

C _OX C _OX

圖 4-17(a) PMOS 變容器剖面圖 圖 4-17 (b) 電容對控制電壓之曲線變化圖

另一種被稱作為累增模式的 MOS 變容器也被廣泛的使用在壓控振盪器中，

其主要是將 PMOS 變容器操作在空乏區(Depletion region)和累增區(Accumulation region)，使元件具有較大的容值調變範圍，並將原來汲極和源極兩端的 P 型重參 雜(P⁺ doped)改為 N 型(N⁺ doped)，以降低 N 型井(N-well)寄生電阻。圖 4-18(a)為 累增模式的 MOS 變容器之剖面圖，圖 4-18(b)為其電容對電壓變化曲線。

P-substrate N-well

N

N

D = S G

C

V _CTRL C _MAX

C _MIN

圖 4-18(a) 累增式 MOS 變容器剖面圖 圖 4-18(b) 電容對控制電壓之曲線變化圖

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