一种带有隔离技术的高频压控振荡器*

吕志强，陈 岚

(中国科学院微电子研究所，北京 100029)

1 引言

压控振荡器是集成电路系统中非常重要的基本电路之一，其电路的实现方式主要有两种，环形压控振荡器(ring VCO)和电感电容压控振荡器(LC VCO)。电感电容压控振荡器具有较低的相位噪声，因此被广泛应用于微处理器中的时钟同步(clock synchronization)电路;无线通信收发器中的频率综合器(frequency synthesizer);光纤通信中的时钟恢复电路(CRC，clock recovery circuit)以及多相位采样(multi－ phase sampling)电路中［1－4］。随着电路应用的不断扩展，对电感电容压控振荡器的振荡频率要求也越来越高。典型的电感电容压控振荡器不仅受到芯片制造工艺的限制，而且也受到了其本身电路结构的限制，无法得到更高的振荡频率。

提出的一种带有谐振电路隔离技术的电感电容压控振荡器，可以明显地提高电感电容压控振荡器的振荡频率。下面将通过电路设计部分介绍提出的电感电容压控振荡器的工作原理，然后在结果分析部分验证提出的电感电容压控振荡器，并与典型的电感电容压控振荡器进行比较，最后给出最终结论。

2 电路设计

2.1 工作频率

电感电容压控振荡器的振荡频率可以表示为:

其中L为电感电容压控振荡器中谐振电路的电感值;Cp为电感电容压控振荡器中谐振电路等效并联电容。也就是说，电感电容压控振荡器的振荡频率大小只取决于谐振电路中的等效电感和等效电容。如果需要电感电容压控振荡器获得最大的工作频率，谐振电路中的等效电感和等效电容的乘积必须最小。然而，在一个固定工艺中，片上电感的电感值和品质因数有限，如果只一味地依赖缩小片上电感的电感值，电感电容压控振荡器往往不能获得较高的工作频率，甚至不能正常工作。因此，为了进一步提高电感电容压控振荡器的工作频率，可以减小另一个影响电感电容压控振荡器工作频率的因素——电感电容压控振荡器谐振电路的等效并联电容。一个典型的电感电容压控振荡器结构如图1 所示。

为了直观分析该电感电容压控振荡器，典型电感电容压控振荡器的输出缓冲电路没有被表示出来。因此从图1 来看，典型电感电容压控振荡器可以简单地分为3个子电路:谐振电路、负阻电路和电流源电路。谐振电路包括差分电感L0、可变电容C1 和C2、电容C3 和C4、电阻R1 和R2;负阻电路包括三极管Q1 和Q2、电容C5、C6 和C9，电阻R3 和R4;为了方便分析，电流源电路只包括三极管Q0。

对于典型的电感电容压控振荡器(图1)来说，公式(1)中L为差分电感L0的电感值;Cp为与差分电感并联的等效电容。等效电容Cp不仅包括电感电容压控振荡器谐振电路的电容C1－C4，而且包括负阻电路中的电容C5、C6 以及三极管Q1 和Q2的集电极电容。如果将这个典型的电感电容压控振荡器的输出连接到输出缓冲电路(图1 没有表示输出缓冲电路)，则输出缓冲电路的输入等效电容也要被计算到等效电容Cp中。无疑进一步增加了典型的电感电容压控振荡器谐振电路的等效电容Cp，从而根据公式(1)，典型的电感电容压控振荡器的工作频率将被降低。

图1 典型电感电容压控振荡器

图2为提出的电感电容压控振荡器的完整电路图结构。

图2 提出的完整电感电容压控振荡器

提出的电感电容压控振荡器仍然分成3个子电路:谐振电路、负阻电路和电流源电路，同时输出缓冲电路也在图2 中表示出来。从图2 可以看到，提出的电感电容压控振荡器的谐振电路与典型的电感电容压控振荡器的谐振电路结构是一样的，但是提出的电感电容压控振荡器的谐振电路的输出并没有被接到三极管Q1 和Q2的集电极，而是直接被接到新增加的两个三极管Q3 和Q4的基极上。而三极管Q3 和Q4的发射极被连接到三极管Q1 和Q2的集电极上，这相当于谐振电路通过三极管Q3 和Q4，不仅与负阻电路产生了隔离，而且与输出缓冲电路也产生了隔离。

对于提出的电感电容压控振荡器(图2)来说，公式(1)中L 仍然为差分电感L0的电感值;Cp也仍然为与差分电感并联的等效电容。但是由于提出的电感电容压控振荡器通过三极管Q3 和Q4 与其它子电路产生了隔离，提出的电感电容压控振荡器的谐振电路等效电容Cp除了与谐振电路本身的可变电容(C1 和C2)、电容(C3、C4)有关外，只与三极管Q3 和Q4的基极电容有关，基本上与负阻电路和输出缓冲电路上的电容无关。因此，相对于典型的电感电容压控振荡器，提出的电感电容压控振荡器具有较小的谐振电路等效电容Cp，从而可以产生较大的振荡频率。

2.2 相位噪声

相位噪声是压控振荡器非常重要的性能参数。为了降低提出的电感电容压控振荡器的相位噪声，以下几个措施被采用。

首先，可变电容C1 和C2 采用反向二极管。为了达到二极管的反向工作，一般情况下，电感电容压控振荡器的控制电压大于0，即ATUNE ＞0。二极管形式的可变电容调谐范围小，但当采用多指结构时，其品质因子可以达到很高，而且电感电容压控振荡器的控制电压(ATUNE)对可变电容的控制具有很高的线性度，电容量随控制电压的变化也比较平缓，电感电容压控振荡器将具有较高线性度调谐范围。对于具有较高线性度的调谐范围的电感电容压控振荡器应该具有较好的相位噪声性能［5］，因此提出的电感电容压控振荡器采用反向二极管作为可变电容来提高该电感电容压控振荡器的相位噪声。

其次，提出的电感电容压控振荡器采用三极管(Q0)作为该电感电容压控振荡器的电流源电路。电流源电路对于电感电容压控振荡器的相位噪声，主要贡献低频噪声和偶次谐波噪声［6］。低频噪声的来源主要是器件的闪烁噪声。三极管相对于MOS 管来说，由于不是表面器件，不存在过多的载流子浮获/释放问题，因此三极管具有较好的闪烁噪声性能。从而提出的电感电容压控振荡器具有较高的相位噪声性能。

最后为了防止负阻电路的三极管(Q1 和Q2)基极等效噪声影响电感电容压控振荡器的相位噪声，在该电感电容压控振荡器负阻电路的三极管(Q1 和Q2)基极串联了滤波电路(R3、R4 和C9)。从而降低三极管(Q1 和Q2)的基极等效噪声对电感电容压控振荡器相位噪声的影响。

3 结果分析

为了公平比较提出的电感电容压控振荡器与典型的电感电容压控振荡器性能，这两种电感电容压控振荡器同时实现在华虹NEC的0.18μm SiGe BiCMOS 工艺中。并且除了提出的电感电容压控振荡器增加了两个三极管(Q3 和Q4)外，这两种电感电容压控振荡器的谐振电路、负阻电路、电流源电路和输出缓冲电路均采用了相同的电路结构和尺寸。同时这两种电感电容压控振荡器的功耗相同，均消耗了6.65mA的电流。这为两种电感电容压控振荡器进行横向比较奠定了基础。

种电感电容压控振荡器的芯片照片，其中图3(a)为典型的电感电容压控振荡器芯片照片，图3(b)为提出的电感电容压控振荡器芯片照片。

图3 (a)典型和(b)提出的电感电容压控振荡器芯片照片

从图3 可以看出，两种电感电容压控振荡器的基本尺寸一致，其核心面积(不包含PAD的面积)为306μm×433μm。虽然这两种电感电容压控振荡器的核心面积不包含便于测试用的PAD 部分面积，但是包含整个电流源电路的面积。这两种电感电容压控振荡器尺寸一致的主要原因是都采用了相同的差分电感。

为了更加准确地测试这两种电感电容压控振荡器的性能，均采用了片上测试方法，即使用探针台和探针直接连接到这两种电感电容压控振荡器的PAD 上，而没用采用PCB 板设计和测试方法。这样可以避免PCB 板给这两种电感电容压控振荡器带来的性能影响。

图4为这两种电感电容压控振荡器的相位噪声测试结果，其中图4(a)为典型的电感电容压控振荡器的相位噪声测试结果，图4(b)为提出的电感电容压控振荡器相位噪声测试结果。

图4 (a)典型和(b)提出的电感电容压控振荡器的相位噪声

从图4(a)可以看到，典型的电感电容压控振荡器的振荡频率为10.03GHz，其在偏移频率为1MHz的情况下，相位噪声为－94.89dBc/Hz;而从图4(b)可以看到，提出的电感电容压控振荡器的振荡频率为12.35GHz，其在偏移频率为1MHz的情况下，相位噪声为－94.85dBc/Hz。从以上结果可以得出，虽然典型的电感电容压控振荡器和提出的电感电容压控振荡器在功耗相同的情况下，具有相似的相位噪声，但提出的电感电容压控振荡器的振荡频率比典型的电感电容压控振荡器的振荡频率高出了20%以上，提出的电感电容压控振荡器明显具有更好的性能优势。

4 结束语

相对于典型的电感电容压控振荡器，提出的电感电容压控振荡器采用隔离技术，将谐振电路与负阻电路、输出缓冲电路隔离开。这样负阻电路和输出缓冲电路的等效电容无法影响到提出的电感电容压控振荡器谐振电路的等效电容，从而可以促进提出的电感电容压控振荡器的振荡频率。典型的电感电容压控振荡器和提出的电感电容压控振荡器同时实现在华虹NEC的0.18μm SiGe BiCMOS 工艺中，两种电感电容压控振荡器的核心面积均为306μm×433μm，功耗均为6.65mA。其中提出的电感电容压控振荡器的工作频率为12.35GHz，相位噪声为－94.85dBc/Hz@1MHz。在基本相同的面积、功耗和相位噪声情况下，提出的电感电容压控振荡器比典型的电感电容压控振荡器的振荡频率高出了23%。这种电感电容压控振荡器的性能优势应归功于所采用的谐振电路隔离技术。

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