**1 **Traditional Class-B and Class-C VCO
圖1給出了傳統Class-B和Class-C結構的LCVCO。其中Class-B是最簡單、最常見,也是最常用的結構,但其噪聲性能和FoM并不是最優的。當輸出擺幅到達VDD時,Class-B結構功耗和噪聲達到最優 。
Class-B結構在一個振蕩周期內會使M1或M 2 ,周期性的進入線性區,輸出節點到地會存在一個低阻通路(圖1(a)藍線),從而降低諧振腔的Q值。
當M1或M2進入線性區后通過增大信號擺幅對相噪提升不大反而會降低了FoM。圖1中大電容CT用于濾除MT管噪聲,缺點是增加了輸出到地的低阻通路,降低了Q值。
在M1和M2源端與MT漏端串聯電感LT并讓LT與CT工作在2ω 0 (ω0為LCVCO振蕩頻率),提高了M1和M2源端阻抗,同時抑制了尾電流管MT噪聲上變頻到振蕩器的相位噪聲,但這種方式開銷很大,并不實用。
Fig1. Oscillator schematic: (a) traditional class-B; (b) class-C.
圖1(b)Class-C結構通過對M1和M2柵端設置合理的偏置電壓,可避免M1和M2進入線性區,從而保證諧振腔在整個振蕩周期內都有較高的Q值。但這種結構的輸出擺幅只有V DD /2左右,限制了其噪聲性能。
**2 **Class-F Oscillator
2.1 Special ISF
假設VCO輸出波形為方波(一般為正弦波),原理圖及ISF波形如圖2所示。方波(相對正弦波)使一個周期內M1和M2工作在線性區的時間變長,注入噪聲的時間也變長,但這段時間內ISF的導數為0(圖2(b)灰色陰影部分),注入的噪聲并不改變相位。
Fig2. Oscillator: (a) noise sources; (b) targeted oscillation voltage (top) and its expected ISF (bottom).
2.2 How Can a Square-wave Be Realized
2.1節可得出,方波信號對相位噪聲是有好處的,那么問題是我們如何實現方波呢?通常很難得到完整的方波(無數正弦波疊加),但我們可以用一次基波和三次諧波(或更多諧波)來合成偽方波信號。
圖3給出了傳統正弦波產生過程,其中漏電流接近方波且包含ω 1 ,2ω 1 ,3ω1等多次諧波,經諧振腔的選頻(諧振在ω1處)生成單一頻率的正弦波。
Fig3. Traditional oscillator waveforms in time and frequency domains.
同理,我們將諧振腔諧振在ω1和3ω 1 ,輸出電壓波形就包含ω1和3ω1的頻率成份,這樣就得到了偽方波信號,過程如圖4所示。
Fig4.Pseudo-square oscillator waveforms in time and frequency domains.
圖4輸出電壓波形表達式為:V in =Vp1sin(ω0t)+ Vp3sin(3ω0 t+ΔΦ)
ξ為0、0.15、0.3(ξ=V p3 /V p1 )時輸出電壓波形如圖5所示,ξ從0~0.3變化時轉換斜率不斷增加,有利于提高相噪。輸出波形在高/低電平附近時,ξ為0.15或0.3時的ISF≈0。
Fig5. The effect of adding 3rd harmonic in the oscillation waveform (top) and its expectedISF (bottom).
2.3 How Can a Class-F VCO Be Realized
① Class-F諧振腔的具體實現方式文獻[1]中已經描述的很清楚,限于篇幅這里不再詳細介紹,有興趣的可以仔細閱讀。
② 圖6為澳門大學Guo Hao提出的Class-F234 VCO,通過2, 3, 4諧波合成方波 。該結構在2019年ISSCC會議上再次被澳門大學Yang Zun Song引用。
Fig6. Class-F234 VCO
③ 圖7是之前在Transformer based VCO一講中提到的一種諧波產生方式,可參考其設計思路。
Fig7. (a) Z11 and (b) Z00 of a lossy transformer for different C 0 /C 1 .
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