在敞开的ISM和短距离设备(SRD)频段上作业的发射器和接收器都需求高功能的压控振动器(VCO)。例如,ISM和SRD集成电路有必要满意像EN200 220-1、FCC的第15部分和ARIB STD-T67规范中所规则的辐射约束。环形振动器和张驰型压控振动器只能满意高输出电平缓低本钱的窄带运用,而LC型VCO则能够很低的本钱供给这些作业在敞开频段上的竞争性运用所需的高功能。
这些运用将会遭到多个寄生辐射源的影响。例如,在典型的运用锁相环(PLL)的发射机中,将存在3种辐射源(图1)。在锁相带宽内,来自电荷泵的噪声是首要重量。该噪声经过压控振动器的增益被转换成相位噪声。而在环路带宽外,噪声奉献首要来自压控振动器的自由振动噪声。压控振动器的相位噪声被按捺在环路带宽内。第三个寄生辐射源来自参阅信号。它是由电荷泵的非线性开关引起的,它将在电荷泵的输出端发生一个纹波电流。由参阅信号引起的该寄生信号,也和压控振动器的相位噪声相同,能够用环路滤波器将其滤除。
为了满意寄生辐射的要求,有几种折衷计划。在根据环形振动器的压控振动器中,能够用具有较宽带宽的锁相环反应环路来减小接近载波的相位噪声。不过,由于环路滤波器也用来按捺参阅寄生信号,这在需求高输出功率时将会发生一些问题。此外,来自电荷泵的噪声奉献也将会成为问题。一个较好的计划便是运用根据电感-电容(LC)的压控振动器。由于根据电感-电容的压控振动器的相位噪声比根据环形振动器的压控振动器要低,所以它可减小环路滤波器的带宽,然后无需折衷考虑接近载波的相位噪声。别的,减小带宽还能减小电荷泵噪声。
实际上,在窄带作业时也存在相似的问题。关于一个整数为N的锁相环,窄的信道距离要求运用一个低的参阅频率和窄的环路滤波带宽。因而,当接近载波的相位噪声功能要求较高时,也需求运用根据LC的压控振动器。在环路带宽外,发射机的相位噪声也只是和压控振动器的自由振动噪声相同。而这些底子与锁相环的拓扑结构无关。
处理这一问题的一个途径,便是运用外加电感器的根据LC的压控振动器。由于从芯片上去掉了电感,芯片就能够做得很小,电感的质量因数(Q)也能够做得更高。这样做的缺陷在于添加了引脚和外部元件数量、以及槽路的寄生参量,别的,也简略导致多模振动。关于这些问题,单靠集成电路的规划本身是无法处理的,而是要经过PCB的合理规划以及选取恰当的外部元件来处理。相关于全集成处理计划,带外部电感的LC型压控振动器能够减小芯片尺度和本钱,但要求运用者支付更大的作业量。因而,更多的规划师倾向于挑选全集成的LC型压控振动器。
关于一个低功耗、低相位噪声压控振动器的规划来说,高质量的电感器是要害。可是,选用规范的集成技能难以完成电感。一种可能性便是运用线绕电感器。这种电感器要用较长的线圈,大约为1mm/nH。但是,关于ISM的运用,腔体尺度十分小,因而关于低至900MHz这样的频率,能够完成的电感量却又太小。
所以,就要求运用集成电感器,这就需求运用镀金的集成技能。关于高质量因数的电感器,需求选用低阻的金属层。但为减小衬底损耗,又要求运用高阻的衬底。常用的0.6um BICMOS工艺供给了另一种挑选。第三层金属层厚度为2.4um,其面电阻为12.5欧姆/单位正方形(Ω/square)。它在衬底3.5um上方进行敷设,这样衬底电阻能够达20欧-厘米。
该VCO规划选用一个外部电感是为了节约芯片面积。经过选用差分方法运用该电感取得很高的质量因子Q。这能与VCO的差分拓扑结构很好匹配。业界的确有这种用法,不过Cadence Inductor Modeller不支持对对称电感进行建模。因而,该电感曾经被建模成非对称电感,后来又根据几个简略的近似对模型进行完善。由于对称电感线圈的均匀方位没有改变,因而对称电感的电感值大致与具有相同几许构型的非对称电感持平。它的质量因子将会稍低一点,由于通孔数量添加了,这可经过添加一个串联电阻进行模仿。
这时,谐振频率率会显着减小,由于两个相邻线匝之间的氧化电容在电感的寄生电容中占更大比重。经过简略预算可知,电感的谐振频率率仅为相应非对称电感的70%。这是经过别的一个并联电容进行模仿的,从图2可看到该电感结构和特性。
LC谐振的第二部分是集成的变容二极管。在现在运用的工艺中,集成变容二极管很简略得到完成,它们利用了N阱里的P分散区域。埋葬式集电极和沟道被用于完成N阱的低串联电阻。变容二极管的质量因子取决于调理电压。在频率为900MHz、调理电压2V的情况下,质量因子Q为70;当电压降为0V时,Q下降到约35。
变容二极管的阴极坐落N阱中,具有较大的寄生电容。这些寄生电容的Q值很低,因而阳极与LC谐振电路相连接,且把阴极用作操控输入是十分重要的。
LC VCO一般由LC谐振电路和补偿电路组成,该补偿电路发生负电导来补偿LC谐振损耗。为取得谐振初始条件,LC VCO有必要满意下面不等式。
其间,Gm 等于LC谐振电路的负电导,Rp等于LC谐振电路的等效并联电阻。
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