低电压和低功率20GHz振荡频率之压控振荡器.doc

低電壓和低功率20GHz振盪頻率之壓控振盪器A 20GHz low voltage and low power vcoIC 編號：T18-97A-45指導教授：林志明 彰化師範大學電機研究所教授電話：(04)7232105-7862傳真： E-mail:.tw設計者：許晉榕 碩士班研究生 電話：0929754327傳真： E-mail: .tw一、 摘要 提出頻率操作在20G低相位雜訊和低電壓的電壓控制振盪器，設計電路為差動式交連偶合，可以達到低相位和低電壓，頻率可調範圍為1.1G，相位雜訊-113dBc/Hz，供應電壓1V，功率消耗為5.72mW，FOM為-186。 A novel circuit topology for low phase-noise 20GHz voltage controlled oscillators (VCOs) is presented in this letter. By using the differential Colpotts topology. superior circuit performance can be achieved at low phase noise , and lower power,and low voltage .Based on the proposed architecture, a prototype VCO implemented in a 0.18- m CMOS process is demonstrated for 20GHz VCO applications. the VCO exhibits a 1.1GHz frequency tuning range at 20 GHz. The attained simulated phase noise is -113dBc/Hz at 1MHz offset with 1V supply voltage and 5.72mW power consumption. The attained FOM is -186.二、 計劃緣由與目的 近年來因為無線通訊技術的快速進步與半導體技術的突飛猛進，使得個人通訊系統需要更高的頻寬以及更高的操作頻率，更高的頻寬可以使傳輸量增加而更高的頻段則可以避免低頻段之間的互相干擾，而壓控振盪器（VCO）在通訊系統中一直扮演著不可或缺的角色，射頻 （Radio Frequency，RF）的IC設計已經成為晶片發展中的最重要的項目之一，設計的考量，低成本、低功率與面積小，消耗的產品已經變成了一個重要的趨勢。因為MOS具有製程較為簡單、電路密度高、成本低以及低消耗功率的特性，因此，利用MOS製程實現射頻積體電路對於IC設計者而言，為一個極具魅力的挑戰。壓控振盪器(VCO)主要是提供穩定而乾淨的振盪訊號給收發機裡的頻率合成器，在有頻率合成器產生本地振盪訊號。一般常見的電壓控制振盪器有晶體振盪器(Crystal oscillator)、環型振盪器(Ring oscillator)、電感電容振盪器(LC oscillator)以及Relaxation oscillator 等等。在這些架構之中，以晶體振盪器最穩定，但是可調整頻率非常小，而電感電容振盪器也可以產生較穩定振盪頻率，但其缺點是電感與電容值很大，不易於積體電路中實現，況且電路架構較為複雜，一般是採用負微分電阻及電感電容組成振盪器的架構，由於輸出頻率高、低相位雜訊且較不受溫度改變影響，因此主要應用於無線通訊射頻積體電路中。三、 研究方法與成果3.1設計原理與方法此次下線晶片主要是設計應用於20GHz可調範圍CMOS壓控震盪器，使用的架構為互補式交錯耦合之LC 壓控震盪器，此架構的優點是起振容易產生較穩定振盪頻率需求條件下，而能達到低功率消耗、低電壓，並且有較好的相位雜訊表現。而輸出端為了匹配至50，使用源極隨偶器當輸出緩衝器，可以得到很好的輸出反射係數。 3.2電路架構 此次下線晶片主要是設計應用於20GHz之壓控振盪器(VCO)，為一CMOS互補式交連耦合LC VCO(complementary cross-coupled LC VCO)架構(Fig.1.)，利用PMOS所構成的互補式交連耦合比使用NMOS的交連耦合對的優點是降低閃爍雜訊1，由於交連耦合電晶體的動作尤如開關，而此架構可達到較快的切換速度，並且能夠使輸出波形較為對稱，減少1/f noise的上轉換，及其他低頻雜訊源。 為了有較低的相位雜訊2，因此本電路設計考慮使用單一的考畢直震盪器(Fig.2.)的方式。Fig.3為一完整壓控振盪器電路，使用一組PMOS互補式交連耦合LC VCO (complementary cross-coupled LC VCO)，要減少相位雜訊把tail-current電晶體換成L1和C1 3，VDD=1V、可以維持操作在低電壓也能使震盪穩定，再利用01V的控制電壓Vtune改變可變電容值來做為頻率的連續調變，如此可以達到19.520.6GHz的頻率調變範圍。四、 預計規格與實測結果 預計規格由表(四)可以清楚得知，而實際量測結果與模擬結果有差異，理由與原因在下討論。五、 結論與討論此次電路在CIC高頻量測沒達到原先模擬的目標，電路無法振盪，初步檢討的原因為電磁模擬不夠完整，core的vdd端接到pad的導線過長，導至電感效應太大使得回路增益無法達到振盪條件。另外由於實際量測的情況與理想的模擬情況是不相同的，真正量測因為測試線與儀器為非理想，如果電路未共地，將使得訊號無法順利傳達，而且在佈局時有些走線過長，在模擬其傳輸線效應時，未完善考量各種情況，這也會使得電路發生振盪或是偏差，尤其是電路佈局時，走線過於曲折，並沒有筆直的讓訊號通過電路，下次在佈局時將會更注意這些相關事項。六、 參考文獻1Albert Jerng and Charles G. Sodini, “The Impact of Device Type and Sizing on Phase Noise Mechanisms,” IEEE J. Solid-State circuit, vol. 40, no. 2, pp. 360 369, Feb. 2005.2Roberto Aparicio and Ali Hajimiri, “A Noise-Shifiting Differential Colpitts VCO,” IEEE J. Solid-State circuit, vol. 37, no. 12, pp. 1728 1736, Dec. 2002.3Xiaoyong Li, Sudip Shekhar, and David J. Allstot, “Gm-Boosted Commom-Gate LNA and Differential Colpitts VCO/QVCO in 0.18-m,” IEEE J. Solid-State circuit, vol. 40, no. 12, pp. 2609-2619, Dec. 2005. 4Hsieh-Hung Hsieh and Liang-Hung Lu, “A Low-Phase-Noise K-band CMOS VCO,” IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 16, no. 10, pp. 552 554, Oct. 2006.5 T.-P. Wang et al., “A 22-GHz push-push CMOS oscillator using micromachined inductors,” IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., vol. 15, no. 12, pp. 859 861, Dec. 2005.七、圖表 Fig.1Fig.2Fig.3Frequency(GHz)19.5-20.6Phase Noisef=1M-11320GHzVDD(V)1Tuning range (GHz)1.1PDC(core)(mW)5.72FOM-191.4Tech0.18m CMOSFig.4Fig.5 Tuning range Fig.6 output power Fig.8 晶片圖Fig.7 phase noise* Chip Features CAD Tools *CKT name : 使用主動元件匹配之超寬頻功率放大器 ADSTechnology : TSMC 0.18m CMOS 1P6M (使用製程) Package : 無Chip Size : 0.51670.72015mm2 (晶片面積；mm2)Transistor/Gate Count : 4(電晶體/邏輯閘數)Power Dissipation : 5.72 mW (功率消耗；mW)Max. Frequency : 20.6GHz (最高工作頻率，GHz)Testing Results : function