Transcript 以0.18製程模擬二極差動延遲環型壓控振盪器學生

崑山科技大學 電子工程系99學年度 學生實務專題成果展
以0.18製程模擬二極差動延遲環型壓控振盪器
學生：張冠程 李銘偉
1. 研究目的
在現在的電子及通訊電路中，鎖相迴路(PLL)是一種常見且在無線通訊系統中，受到相當廣
泛運用的電路，其中鎖相迴路裡的核心電路就是壓控振盪器(VCO)，然而壓控振盪器容易受到
環境的影響(如電源電壓變化時的穩定度、環境溫度變化時的穩定度、外界磁場與振動的影響)以
及電路本身的雜訊影響，使得振盪訊號在頻譜上發生偏移或是相位雜訊太大，而這些情形將會
影響到鎖相迴路無法進行相位鎖定與輸出波形的跳動。
指導教授：蔡澈雄
老師
圖八為此振盪器的輸出功率為0.247dBm，足夠來推動下一級，一般需求是-5dBm以上就可
以。就可以。圖九為此振盪器的相位雜訊與其他文獻來相比，是一個很良好的值，已發表的
壓控振盪器的相位雜訊值都比-120 dBc/Hz(@1MHz載波)來的大，而我們模擬此振盪器的相位
雜訊為-124.5 dBc/Hz(@1MHz載波)，此值比上述的值小。
所以對於壓控振盪器而言，如何設計出一個達到穩定且低雜訊、線性調變頻率、對電源與
溫度的穩定度、低功率消耗及高頻化是目前研究的趨勢，一般情況下，振盪器可分為LC振盪器
與環形振盪器兩種。LC振盪器的優勢在於Q值較高相位雜訊比較好，而環形振盪器面積小，不
需要使用到電感，相對的可積體化程度較高，因此各有各的優缺點。
而本專題將以差動延遲的高輸入阻抗、高輸出頻率及調頻範圍寬的特性，來設計出一個寬
調頻範圍、相位雜訊小的差動負載放大器之壓控振盪器。
2. 電路架構與動作原理
我們使用差動延遲放大器的高輸入阻抗，高輸出頻率和調頻範圍寬的特性來建立一個差動放
大振盪器。圖一我們將整個電路分成兩個部份延遲電路與Super Buffer，在主電路延遲電路部份
主要是產生頻率，我們將給一個Vctrl控制電壓來做調變，而Super Buffer給一個定電壓VDD，
這部份主要是將接收到的訊號加以放大，考慮到負載的關係，加此Buffer來推動。
VDD
VDD
Vo1+
Vo2+
L
Mb1
Buffer
Delay
cell
Delay
cell
`
VCTRL
Vout
C1
Vo2-
R
C2
Vo1-
Mp1
Mp2
GND
GND
Mp2
Mp1
OUT-
圖八 輸出功率
圖九 相位雜訊
OUT+
VCTRL
Mn1
IN+
虛擬負載
Super Buffer
Mn1
GND
IN-
GND
Z
4. 量測結果
圖一 電路架構圖
圖二 差動延遲放大器電路圖
C1
out
Vo1+
Vo1-
Vo2+
Vo2-
State1
H
L
H
L
State2
L
H
L
H
表I
圖十 是Bi-CMOS主動負載差動放大振盪器量測的測試版。圖十一 是在Vctrl=1.8V，
VDD=1.8V時量測的輸出波形。
L
Vout
R
C2
GND
圖三 虛擬負載圖
動作狀態表
圖一之振盪器由延遲單元組成之優點為寬頻與低雜訊。表I為此振盪器之減化動作狀態表；若輸
出狀態為State1則下一個狀態會為State2；當State2會回到State1，因而產生振盪的情形。
３. 模擬結果
此架構是以H-spice與Advanced Design System進行模擬，進而探討輸出波形、電壓-頻率曲
線圖、電壓-功率曲線圖、相位雜訊圖及輸出功率圖的模擬結果。
圖十 輸出波形(Vctrl=0.9V，VDD=1.8V)
圖十一 輸出波形(Vctrl=1.8V，VDD=1.8V)
5.結論
圖五 核心Layout圖
圖四 電路佈局圖
16
3
14
Dissipation(mW)
FF
TT
SS
2.5
Frequency(GHz)
此振盪器所產生的波形像傳統的振盪器，例如石英振盪器或環形振盪器都能產生正弦波。與一
般的振盪器相同此振盪器的雜訊與輸出頻率成正比。但是此振盪器仍然有三個優勢，寬調頻範
圍、低相位雜訊及好的線性電壓控制振盪器(VCO)的特性。在我們的類比系統裡，我們只要增
加PMOS 寬度，選擇較高增益(gm)電晶體，就能增加輸出的頻率。正如我們所知，VCO 是鎖相
迴路(PLL)的主要核心電路。此振盪器將被我們新的PLL VCO 晶片裡採用。假使我們在11月底
能將此振盪器成功的作成IC，然後我們將在不同的電源電壓下測量輸出頻率和功率消耗。當我
們有那些測量的數據時，我們將比較在模擬和實驗之間有那些差別。
最後，我們將找出H-spice與ADS 對頻率範圍、消耗功率和雜訊特性的限制，我們也將研究且
分析振盪器的相位雜訊。
2
1.5
FF
1
TT
SS
FF
TT
SS
12
10
FF
8
TT
SS
6
4
0.5
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
VCTRL
圖六 電壓－頻率曲線圖
輸出頻率在2.63GHZ~0.94GHz之間
0.8
1
1.2
1.4
1.6
Vctrl
圖七 電壓消耗功率曲線圖
消耗功率在11.93MV~7.3mW之間
1.8