采用65 nm工藝實(shí)現(xiàn)寬頻帶低相位噪聲的LC-VCO

鄭麗斌，高海軍，孫玲玲

(杭州電子科技大學(xué)射頻電路與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310018)

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采用65 nm工藝實(shí)現(xiàn)寬頻帶低相位噪聲的LC-VCO

鄭麗斌，高海軍，孫玲玲

(杭州電子科技大學(xué)射頻電路與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310018)

摘要：介紹了采用65 nm工藝實(shí)現(xiàn)寬頻帶和低相位噪聲LC-VCO。利用相鄰兩層金屬以及多層金屬之間的寄生電容來(lái)實(shí)現(xiàn)堆積式MOM電容。開(kāi)關(guān)陣列電容采用所述的堆積電容來(lái)實(shí)現(xiàn)，在實(shí)現(xiàn)寬頻帶調(diào)諧的基礎(chǔ)上可減小VCO的調(diào)諧增益。在交叉耦合MOS管的漏極插入電阻來(lái)抑制有源器件中閃爍噪聲，這種非諧振方式可保證閃爍噪聲的抑制在寬頻帶范圍內(nèi)有效。壓控振蕩器采用65 nm CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，測(cè)試得到的調(diào)諧頻率范圍為2.7 GHz1.3 GHz；輸出頻率為1.3 GHz時(shí)的相位噪聲為-124 dBc/Hz@1 MHz；供電電壓為1.2 V時(shí)，功耗為2.4 mW；相應(yīng)的優(yōu)值為-183 dBc/Hz。

關(guān)鍵詞：壓控振蕩器；寬頻帶；開(kāi)關(guān)電容陣列；閃爍噪聲；堆積式MOM電容

0引言

在現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)中，壓控振蕩器的性能參數(shù)比如相位噪聲、頻率調(diào)諧范圍以及集成度是影響整個(gè)通信系統(tǒng)性能的重要因素。雖然隨著CMOS工藝的發(fā)展，壓控振蕩器的性能比如振蕩頻率、功耗都有很大的提升，但是隨著MOS晶體管的溝道長(zhǎng)度越來(lái)越小，MOS管本身的閃爍噪聲對(duì)于整個(gè)電路影響變得不可忽視[1]。針對(duì)尺寸比較小的電路來(lái)說(shuō)，閃爍噪聲的抑制變得越來(lái)越重要。為了提高VCO的性能，國(guó)際上已經(jīng)提出了多種關(guān)于抑制LC-VCO中閃爍噪聲的上變頻方法。文獻(xiàn)[2]通過(guò)合理選擇差分對(duì)中NMOS和PMOS晶體管的尺寸，以實(shí)現(xiàn)輸出理想差分波形的目的，這樣，在一定程度上減小了低頻率處噪聲上變頻，但是使用這種方法時(shí)，要求電路必須有完全的對(duì)稱性，在具體電路版圖實(shí)現(xiàn)時(shí)難以保證。文獻(xiàn)[3]提出利用LC諧振網(wǎng)絡(luò)和電流源實(shí)現(xiàn)的噪聲濾波技術(shù)減小在電流源內(nèi)部形成的閃爍噪聲的上變頻，但是由于LC諧振網(wǎng)絡(luò)的窄帶特性，這種方法只適用于窄帶VCO中。文獻(xiàn)[4]提出利用源阻尼電阻在交叉耦合晶體管中實(shí)現(xiàn)抑制閃爍噪聲的上變頻。但是采用這種方法會(huì)對(duì)LC-VCO的起振以及1/F3區(qū)域內(nèi)的相位噪聲產(chǎn)生一定的影響。

針對(duì)以上情況，本文提出在交叉耦合FET管的漏極串聯(lián)一個(gè)電阻的方法，可以有效抑制閃爍噪聲在有源電路中的上變頻。同時(shí)相鄰金屬層以及多層金屬之間的寄生電容形成的與CMOS工藝兼容的堆積式電容構(gòu)成在寬帶LC-VCO中所用到開(kāi)關(guān)陣列。

1寬帶低相位噪聲LC-VCO電路結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)

1.1　堆積式MOM電容的設(shè)計(jì)

堆積式電容的橫截面圖如1(a)所示。電容由相鄰金屬層Metal5和Metal6以及SiO2形成的垂直型寄生電容C5-V組成。它的電容值由SiO2的厚度、金屬層的長(zhǎng)度和寬度決定[5]。為了使電容密度變大，使不同金屬層形成的MOM寄生電容并聯(lián)連接，由此形成的堆積式電容的總電容值為：

(1)

擁有多個(gè)叉指數(shù)的堆積式電容管的俯視圖如圖1(b)所示。相鄰金屬層之間的金屬被重新排列在水平面，形成了交叉指型的電容金屬層[6]。這種叉指型電容由不同的金屬層并聯(lián)組成，如圖1(c)所示。它的總電容值為：

(2)

式中，CP_V為單層垂直型MOM電容的寄生電容，CP_H為單層叉指形電容的寄生電容，n為金屬層數(shù)，m為叉指數(shù)。圖1(d)為提出的電容結(jié)構(gòu)的不同金屬層所具有的電容值密度的測(cè)量結(jié)果。電容的尺寸：?jiǎn)蝹€(gè)叉指的寬度為0.1 μm，叉指的間隔為0.1 μm，長(zhǎng)度為15 μm，一共有160個(gè)叉指數(shù)。6層金屬層在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中最大的電容密度值為2.8 FF/μm2。

本文所用的堆積式電容也可以被視為二維的叉指形電容：一種為垂直平面擁有多個(gè)水平面的叉指數(shù)；另一種為水平平面有多個(gè)的垂直面的金屬層[7]。

圖1　堆積式MOM電容的結(jié)構(gòu)

1.2　寬帶LC-VCO的設(shè)計(jì)

本文中提出的利用漏極串聯(lián)電阻抑制閃爍噪聲上變頻的寬帶LC-VCO的電路設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖2　LC-VCO的電路設(shè)計(jì)圖

圖2(a)中LC-VCO電路圖中的交叉耦合FET晶體管的漏極串聯(lián)兩個(gè)電阻；圖2(b)中給出了交叉耦合管的等效小信號(hào)電路。根據(jù)圖2中的小信號(hào)電路求出等效輸入電阻：

Zin=(R+ron)/(1-gmron)+1/jωCRs

(3)

對(duì)于一個(gè)漏極串聯(lián)電阻值為R的FET來(lái)說(shuō)，其等效輸出電阻rout=R+ron，當(dāng)MOS晶體管工作在飽和區(qū)時(shí)，ron>>R。在很多情況下，振蕩器的振蕩幅度將使得交叉耦合的MOSFET晶體管工作在深線性區(qū)，如圖3(a)所示。對(duì)于壓控振蕩器的一個(gè)信號(hào)周期來(lái)講，F(xiàn)ET晶體管工作在截止區(qū)或者三極管區(qū)域，而且流過(guò)交叉耦合FET晶體管的電流波形并不是理想的方波信號(hào)，只有在電壓的過(guò)零點(diǎn)處達(dá)到其最大值，而在電壓的最大值處信號(hào)下降。信號(hào)下降的幅度取決于工作在三極管區(qū)域的FET晶體管的阻值。所以ron越大，電流值的擾動(dòng)越小。另外根據(jù)文獻(xiàn)[8]的分析得出，電流的諧波會(huì)引起振蕩頻率點(diǎn)的偏離，同時(shí)在電流源附近會(huì)導(dǎo)致閃爍噪聲的上變頻。圖3(b)顯示了流過(guò)交叉耦合晶體管以及與其串聯(lián)電阻的電流波形。同時(shí)，由前面分析得出，當(dāng)FET晶體管工作在深線性區(qū)時(shí)，ron<

對(duì)于工作在電流受限區(qū)的振蕩器來(lái)說(shuō)，輸出電壓幅度為：

(4)

RT為諧振網(wǎng)絡(luò)的等效并聯(lián)電阻。根據(jù)上式得出，在恒定電流源的前提下，隨著漏極串聯(lián)電阻的增加，振蕩器的振蕩幅度將增加。由于諧振網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率并不會(huì)受漏極串聯(lián)電阻R的影響，這就意味著在過(guò)零點(diǎn)處的波形的斜率會(huì)變得更大。所以本文提出的電路結(jié)構(gòu)會(huì)減小閃爍噪聲的影響，另外由于差分對(duì)FET晶體管的存在，使得電路中的諧波成分也在一定程度上得到了抑制[9]。

圖3　交叉耦合晶體管的電流波形

本文設(shè)計(jì)的利用開(kāi)關(guān)陣列實(shí)現(xiàn)的寬帶LC-VCO如圖4所示。為了實(shí)現(xiàn)寬帶的頻率范圍，利用堆積式MOM電容實(shí)現(xiàn)的5-bits的開(kāi)關(guān)陣列被應(yīng)用到LC-VCO電路結(jié)構(gòu)中，同時(shí)電路圖中的2-bits開(kāi)關(guān)變?nèi)莨荜嚵锌梢詳U(kuò)大調(diào)諧范圍。圖4中漏極串聯(lián)電阻R可以有效抑制閃爍噪聲的上變頻。圖5證明了漏極串聯(lián)電阻對(duì)應(yīng)LC-VCO的相位噪聲的影響。M1曲線對(duì)應(yīng)是電路中存在漏極電阻R時(shí)的仿真結(jié)果。由圖5可以看出M1曲線的相位噪聲值為-85.23 dBc/Hz@10 kHz，比M3曲線有10 dBm的改善。同時(shí)1/F2噪聲并沒(méi)受到漏極串聯(lián)電阻R的影響，證實(shí)了以上的理論分析結(jié)果。

圖4　寬帶LC-VCO電路結(jié)構(gòu)

圖5　漏極串聯(lián)電阻對(duì)相位噪聲的影響

2芯片測(cè)試與結(jié)果分析

本文提出的可抑制閃爍噪聲的上變頻的寬帶LC-VCO以及堆積式MOM電容是利用65 nm CMOS工藝實(shí)現(xiàn)的。由于全差分電感電容壓控振蕩器的兩條支路是完全一樣的，為了保證實(shí)際電路的物理實(shí)現(xiàn)也是完全對(duì)稱的，在進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)時(shí)要盡量做到振蕩器是中心對(duì)稱的。版圖面積為540 μm×400 μm。供電電壓為1.2 V，功耗為2.4 mW。

圖6　LC-VCO芯片的測(cè)試結(jié)果

為了更好地表征VCO的性能，計(jì)算FOM的值。FOM定義為：

(5)

式中，L(ΔF)為距離載波頻率F0為ΔF處的相位噪聲，P為功耗值。根據(jù)計(jì)算得出本文提出的VCO的FOM值為-183dBc/Hz。為了更加合理公平地比較窄帶VCO和寬帶VCO的性能，通過(guò)計(jì)算下式來(lái)比較寬帶和窄帶VCO的性能，下式將調(diào)諧范圍包括在其中。

(6)

利用上述測(cè)量數(shù)據(jù)，得到本文中提出的VCO的PFTN的值為1.1dB。

本文提出的LC-VCO的性能參數(shù)與最新提出的寬帶LC-VCO的性能比較如表1所示。

表1　LC-VCO性能參數(shù)對(duì)比

從表1中可以看出，與其他論文中設(shè)計(jì)提出的VCO相比，本文設(shè)計(jì)的LC-VCO的FOM值更小。

3結(jié)束語(yǔ)

本文利用65 nm CMOS工藝實(shí)現(xiàn)了低相位噪聲的寬帶LC-VCO。利用在交叉耦合FET管的漏極串聯(lián)電阻R有效抑制了調(diào)諧頻帶范圍內(nèi)的閃爍噪聲的上變頻。在標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝中，根據(jù)提出的堆積式MOM電容實(shí)現(xiàn)的開(kāi)關(guān)陣列可以有效提高了LC-VCO的調(diào)諧范圍。仿真結(jié)果也驗(yàn)證了利用此方法實(shí)現(xiàn)的LC-VCO有很好的性能，因此在工程上具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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A Wideband Low Phase Noise LC-VCO in 65 nm CMOS Process

Zheng Libin， Gao Haijun， Sun Lingling

(KeyLab.oFRFCircuitsandSystem，MinistryoFEducation，HangzhouDianziUniversity，HangzhouZhejiang310018，China)

Abstract:A wideband low phase noise LC-VCO implemented in 65 nm CMOS process was presented. By using the parasitic capacitance between the adjacent metal layers and the multi-layers oF metals， a stacked MOM-capacitor is Formed. The switched array composed oF the proposed capacitor is introduced to keep small VCO-gain while achieve large tuning range oF the LC-VCO. A resistor is inserted in series with the drain oF the cross-coupled FET to suppress the Flicker noise up-conversion oF active devices. The non-resonant method allows Flicker noise up-conversion suppression over a wideband Frequency range. The proposed LC-VCO was implemented in 65 nm CMOS process， the measured Frequency range is From 2.7 GHz to 1.3 GHz， resulting a tuning range oF 70%. The measured phase noise is -124 dBc/Hz@1 MHz at 1.3 GHz output. The power dissipation is 2.4 mW under 1.2 V supply voltage， the corresponding FOM is -183 dBc/Hz．

Key words:voltage controlled oscillator; wideband; switched capacitor array; Flicker noise; stacked MOM-capacitor

中圖分類號(hào)：TN432

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-9146(2015)03-0022-05

通信作者：

作者簡(jiǎn)介：鄭麗斌(1989-)，男，山西呂梁人，在讀研究生，射頻電路設(shè)計(jì).孫玲玲教授，E-mail：sunll@hdu.edu.cn.

基金項(xiàng)目：浙江省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目(2010R50010)

收稿日期：2014-10-31

DOI:10.13954/j.cnki.hdu.2015.03.003