MOS 對稱性

利用兩組壓控振盪器加上四個相位移電路彼此交叉耦合來實現正交輸出的低電 壓壓控振盪器，此種架構的缺點為其四相位輸出訊號之相位誤差(phase error)與相位 雜訊(phase noise)，彼此互有關聯，如果設計交錯耦合的 NMOS 的尺寸與直接耦合 NMOS 得宜時，則可降低功率損耗，並維持良好的相位雜訊與正交輸出。

基於上敘設計考量，本次設計的應用於超寬頻低電壓四相位壓控振盪器的電路架構 如圖3.8 所示，由兩組 NMOS 交錯耦合對(NMOS cross -coupled pair)的主動埠及 LC 諧 振埠，加上四個相位移電路彼此交叉耦合晶體和輸出緩衝放大器所組成，其中利用高阻 抗的電阻串連基底，及在主動埠電晶體的汲極(drain)、源極(source)間並聯電容以產生一 負電導值補償電感的損耗以改善品質因數，電感器的選擇品質因數較高的對稱型電感，

電路中不使用定電流源來做偏壓，用以在低電壓操作時改善相位雜訊。

圖3.8 超寬頻低電壓四相位壓控振盪器

§3-2-2 模擬在主動埠電晶體加基底電阻和交聯電容比較結果

設計上為了改善相位雜訊，在電路中主動埠電晶體加上交聯電容 Cs，及基底連接 高阻抗Rsi，並與傳統沒有採用外加 Cs 及 Rsi 方法的壓控振盪器在 0.6V 的操作電壓下 對電路特性做改善比較如圖 3.9(a) ，在與中心頻率 7.92GHz 偏移 1MHz 的相位雜訊比 較上改良約2dB，而輸出功率的比較如圖 3.9(b)，相差約 0.6dBm，在頻率調整範圍如圖 3.9(c)傳統架構為 359MHz，改良後的範圍為 292MHz，因頻率調整範圍較小，振盪器的 靈敏度如圖 3.9(d)，與傳統架構比較相對的較低，在設計上對可調頻率範圍要求不高，

所以頻率調整是合乎設計的規劃，而重新調整電路增加頻率調整範圍後再模擬比較，相 對於傳統架構的低電壓壓控振盪器，依舊可有不錯的相位雜訊表現。

0.0 200.0k 400.0k 600.0k 800.0k 1.0M

Phase noise (dBm)

Offset frequency (Hz) No add Rsi and Cn

Output Power (dBm)

Vct (V) 下為-108dBc/Hz，輸出功率為-7.5dBm，頻率調整範圍約為 292MHz，如圖 3.10 所示。

整體四相位模擬輸出，如圖3.11，所顯示的是橫軸為時間，縱軸為振幅的四相位輸出，

輸出振幅變化不大。而 VQ＋及 VI＋正交訊號的輸出，如圖 3.12 為所示，其 VQ＋與 VI-模擬結果在 Vct 變化時皆能達到相差約為 5 度內的要求。而 VQ＋及 VQ- 對稱訊號 的輸出，如圖 3.13 為所示，其 VQ＋與 VQ-模擬結果在 Vct 變化時皆能達到相差約為 180 度。經由模擬結果顯示，壓控振盪器四相輸出波形之相位差異( Phase difference)變化 穩定，皆在規格內。

0.2 0.4 0.6 0.8

dBm(Qp[::,1])=-7.4760.300 m9

vct=dBm(Qp[::,1])=-7.5420.600

(a)相位雜訊模擬結果 (b)輸出功率模擬結果

freq[::,1]=8.036E90.000 m7

vct=freq[::,1]=7.743E90.600

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

21.286

21.000 21.500

-100 -50 0 50 100

-150 150

time, nsec

Qp, mVIp, mV

圖3.12 VQ＋及 VI＋正交訊號的輸出

21.286

21.000 21.500

-100 -50 0 50 100

-150 150

time, nsec

Qp, mVQn, mV

圖3.13 VQ＋及 VQ- 對稱訊號的輸出

而實際量測以鎊線(Bond-wire)到 FR4 基板上進行量測，並經由 E4445A 及 8564E 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特性，考量接線的損耗約2dB，

在0.6V 操作電壓與模擬結果相比較的結果，其中操作頻率相差約 400MHz 的頻偏，頻 率調整範圍在控制電壓0.4V 後即無法振盪，功率輸出也相差約 8dBm，考慮製程偏移及 佈局效應，調整工作偏壓等於0.6V，0.62V 及 0.65V 與設定 Corner case 在 SS 設定後重 新模擬，並與量測結果作比較，如圖3.14，圖 3.15 與圖 3.16。

其中模擬的結果如下：在0.6V 工作電壓下，輸出頻率為 7.67GHz，相位雜訊在 1MHz 偏移下為-107.7dBc/Hz，FOM 為 186 dB，輸出功率為-7.5dBm，頻率調整範圍為於 273MHz；在 0.62V 工作電壓下，輸出頻率為 7.79GHz，相位雜訊在 1MHz 偏移下為 -108.5dBc/Hz，FOM 為 185 dB，輸出功率為-6.8dBm，頻率調整範圍為 275MHz；在 0.65V 工作電壓下，輸出頻率為7.80GHz，相位雜訊在 1MHz 偏移下為-111dBc/Hz， FOM 為 186 dB，輸出功率為-6.2dBm，頻率調整範圍為 274MHz。

而對工作偏壓採用0.6V，0.62V 及 0.65V 的實際量測如下：在 0.60V 工作電壓下，

輸出頻率為7.69GHz，相位雜訊在 1MHz 偏移下為-103.5dBc/Hz，FOM 為 182 dB，輸出 功率為-16 dBm，頻率調整範圍為 105MHz；在 0.62V 工作電壓下，輸出頻率為 7.67GHz，

相位雜訊在1MHz 偏移下為-106.4dBc/Hz，FOM 為 182 dB，輸出功率為-11dBm，頻率 調整範圍為237 MHz；在 0.65V 工作電壓下，輸出頻率為 7.68GHz，相位雜訊在 1MHz 偏移下為-108.3dBc/Hz， FOM 為 182 dB，輸出功率為-7dBm，頻率調整範圍為 232MHz。

圖3.17 為諧波量測結果與二次諧波相差約 23dB，而圖 3.18 為應用於超寬頻低電壓之壓

dBm(voutn[::,1])=-7.4570.250 m7

vct=dBm(voutn[::,1])=-7.5680.600

(c) 0.6V 輸出功率模擬結果 (d) 0.6V 輸出功率量測結果

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

freq[::,1]=7.667E90.000 m5

vct=freq[::,1]=7.394E90.600

dBm(voutn[::,1])=-6.8350.300 m7

vct=dBm(voutn[::,1])=-6.8880.600

(c) 0.62V 輸出功率模擬結果 (d) 0.62V 輸出功率量測結果

0.10 0.20 0.30 0.40 0.50

0.00 0.60

freq[::,1]=7.795E90.000 m5

vct=freq[::,1]=7.520E90.620

(e) 0.62V 頻率調整範圍模擬結果 (f) 0.62V 頻率調整範圍量測結果

dBm(voutn[::,1])=-6.2140.400 m6

vct=dBm(voutn[::,1])=-6.2420.600

(c) 0.65V 輸出功率模擬結果 (d) 0.65V 輸出功率量測結果

0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60

0.00 0.65

7.55 7.60 7.65 7.70 7.75 7.80

7.50 7.85

vct

freq[::,1], GHz

m3

m4 m3vct=

freq[::,1]=7.808E90.000 m4

vct=freq[::,1]=7.534E90.650

(e) 0.65V 頻率調整範圍模擬結果 (f) 0.65V 頻率調整範圍量測結果

圖3.16 0.65V 調整後四相位壓控振盪器模擬及量測結果

圖3.17 諧波信號量測結果

Ip In

Qp Qn

VS VT

VB Vdd

GND GND

GND GND

GND GND

0.636mm

0.96mm

圖3.18 應用於超寬頻之低電壓低功率四相位壓控振盪器佈局圖及實際電路

圖3.19 應用於超寬頻之低電壓低功率四相位壓控振盪器測試板佈局圖及實際電路

§3-2-4 討論

此顆應用於超寬頻之低電壓低功率四相位壓控振盪器，整體電路用 TSMC CMOS 0.18um 的製程來設計製作，採用 NMOS 交錯耦合對的 LC 調諧壓控振盪器加上交聯電 容架構設計，藉由在主動埠並聯電容改善電路品質因數，配合新探討的基底端加上大電 阻使相位雜訊特性改善，為此次研究的方向。在使用0.6V 的電壓下，造成 Vt 在 0.4 後 的控制電壓下無法振盪，可能原因為當初設計時考量低功率所以將看入的負阻，僅調整 較為大一些，在考量推頻效應時加入製程偏移及跑線效應不夠仔細，導致實際量測時無 法驅動，並造成頻率有偏移約 400MHz，如表 3.3 所示，應可考慮加大電晶體的電導，

或提高工作偏壓，用以加強負阻的提升，避免有無法振盪的情形發生，但也需考量相位 雜訊及功率損耗的取捨。表3.4 為應用於超寬頻之低電壓低功率四相位壓控振盪器重新 考量模擬和量測的比較表。

而在0.65V 的操作偏壓下，相位雜訊在 1MHz 偏移下為-108dBc/Hz，頻率調整範圍 為 232MHz，功率消耗為 2.67mW，FOM 值為 182，其功率損耗配合相位雜訊的 FOM 值與其他電路表現相差不大，但電路更精簡，與其它強調低功率消耗的低電壓壓控振盪 器 paper 比較表現如表 3.4 所示。

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3.3 【電路 2】應用於超寬頻之低電壓低功率四相位壓控振盪器規格表 Parameters Simulation

0.6 V

Measurement 0.6 V Center frequency (GHz) 7.92 7.5

Core Current (mA) 1.63 1.53

Tuning Range (MHz) 292 105

Vtune (V) 0 ~ 0.6 0~0.4

Output Power (dBm) -7.5 -16～-24 Phase Noise

@1MHz offset (dBc/Hz) -108 -103.5 Power Consumption (mW) 0.978 0.918

表3.4 【電路 2】應用於超寬頻之低電壓低功率四相位壓控振盪器重調後比較表 Parameters Sim

0.6 V

Meas 0.6 V Sim

0.62 V Meas

0.62V Sim 0.65 V

Meas 0.65V

frequency (GHz) 7.67 7.69 7.79 7.67 7.80 7.68 Core Current (mA) 1.63 1.53 2.06 2.64 2.8 4.10 Tuning Range (MHz) 273 105 275 237 274 232

Vtune (V) 0 ~ 0.6 0~0.4 0~0.62 0~0.620~0.65 0~0.65 Output Power (dBm)

(2dBm cable loss) -7.5 -16 -6.8 -11 -6.2 -7 Phase Noise

@1MHz offset (dBc/Hz) -107.7 -103.5-108.5 -106.4 -111 -108.3 Power Consumption (mW) 0.978 0.918 1.278 1.637 1.736 2.67

＠1MHz FOM (dB) 185.5 181.6 185.3 182.0 186.4 181.7

表3.5 【電路 2】電路之效能與其他低電壓之壓控振盪器的比較表

Tuning Range

(%) 3.6 8.9 N/A 29.12 16.6

Power consumption

(mW) 2.67 0.696 2.77 1.2 3.5

-108.34 -97 -112.75 -109 -136

Phase Noise (dBc/Hz) 交錯編排使用直接耦合(direct couple)及交錯耦合(cross couple)的連接方式來連接兩個雙 頻帶振盪器，即可產生四相位訊號之輸出。此方式不僅簡化了雙頻帶正交壓控振盪器的 設計，更因此減少電感的使用量，可減少面積的使用。