1. LC-VCO起振條件及振蕩頻率的計算
LC-VCO的等效電路如圖1所示,實際應用中L1和L2由帶中間抽頭的對稱電感組成,抽頭接電流源(圖中i)。
為減小Rj,vdd通常由LDO供電。電流源可由PMOS管實現,也可由電阻實現,兩者在工程中都有應用,差異主要是低中頻的閃爍噪聲和熱噪聲及電流是否固定,具體差異以后有機會再跟大家分享。
R1、R2、C1、C2組成LC-VCO的電容陣列,其中R1、R2為MOS管的導通或關斷電阻,C1、C2通常為MOM電容,電容陣列(圖中Cap Array Unit)通常帶有二進制權重(如1:2:4:8:16)。
交差耦合管M1、M2形成負阻用于抵消LC振蕩環中的寄生電阻,以維持等幅振蕩。為了簡化分析圖1中沒有畫出varactor電容,varactor電容用于調整VCO的輸出頻率。
Fig1. LC-VCO等效電路
可通過計算或前面阻抗變換中介紹的sp仿真得到電容陣列的等效并聯電阻Rpc及并聯電容Cpc。圖1中電感為理想電感,感值為L1+L2,如果為非理想電感可通過電感的S參數模型仿真出等效電感、電容、電阻,為了便于分析這里簡化成了理想電感。
通過畫小信號可得,A、B兩點向下看進去的等效并聯阻抗為Rpm=-2/gm,(gm1=gm2=gm),A、B兩點向下看進去的等效并聯電容為Cpm。為了維持振蕩,有下式成立:
其中gm為M1或M2的跨導,Rpc為電容陣列的等效并聯電阻(工程中還要與電感和varactor電容的等效并聯電阻進行并聯)。
在滿足上述起振條件的前提下,振蕩頻率有如下表達式:
Rpc、Rpm及gm只影響起振及振蕩幅度,振蕩頻率只取決于L1、L2、Cpc、Cpm。
**2. **仿真驗證
在T28工藝下搭建圖1所示的等效電路模型,其中M1和M2管選用tsmcN28工藝庫中的nch_hvt_mac器件,尺寸為48um/30nm。其余全部調用analogLib中的理想器件,L1=L2=200pH,C1=C2=800fF,i=3mA,vdd=1V。
圖1中的R1、R2從1 Ohm逐漸增大,sp仿真發現電容陣列的等效Rpc不斷減小,當R1=R2=5.7 Ohm時,Rpc=108 Ohm,Cpc=300fF,此時振蕩器剛好處于臨界振蕩狀態,gm=20.95ms,Cpm=70fF。
用第1章給出起振條件公式計算出gm x Rpc = 20.95 ms x 108 Ohm = 2.26 >2。
用第1章給出振蕩頻率公式計算出fvco = 1.3GHz,仿真結果約為12.5GHz。
注:仿真交叉耦合管M1和M2的等效并聯電阻及電容時,應給A、B兩點合理的共模電壓,因為共模電壓會影響并聯阻抗;如果A、B兩點振蕩幅度較大,使得M1和M2管處于大信號狀態小信號sp仿真將不再適用,應采用pss+psp進行大信號仿真。
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