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- 文献综述（或调研报告）：
国内外学者对VCO的研究主要集中在相位噪声的研究、VCO拓扑结构的优化以及针对CMOS工艺高性能电感、电容的制作。在相位噪声研宂方面，很多国内外学者进行了大量的研究并提出了各种各样的相位噪声模型，最具有代表性的，在国外有基于线性时不变系统假设的LESSON验模型、基于线性时变系统假设的Hajimiri模型和Demir基于非线性方法提出的相位噪声模型。在国内，1981年，万心平等人通过对相位噪声谱形和品质的研宄，提出了相位噪声指数和相位品质因数作为衡量振荡器相位噪声性能的综合指标[7]；1999年，徐锐敏和延波利用非线性电流源法分析了振荡器基波和各次谐波的稳态响应和相位噪声特性，并把这两种分析统合起来[8]。2014年，王东和陈岚等人基于非线性扰动分析，通过数值解析分析了不同种类的噪声源对相位噪声的影响[9]。这些模型和方法的提出，使人们对噪声源到相位噪声变换的机制有了清晰的认识，并提出了许多有效降低相位噪声的方法。
国外对VCO的研究起步较早，各知名院校和IC公司对此投入了大量的努力，并获得突破性的成果，如IBM、Philips、CSR、TI等公司相继推出自己的VCO产品，工作频率从几百兆赫兹到几十吉赫兹，应用领域包括蓝牙、WLAN、无绳电话、ＤＢＳ等。2014年，加拿大基于65nmCMOS工艺设计了频率为5.5~10.2GHz的LC VCO，其相位噪声为-83dBc/Hz@1MHz[10]。2015年，美国加利福尼亚大学在发表的文献中提出一种新颖的环形VCO结构，这个压控振荡器使用两个单端结构环形VCO通过电容互相耦合构成，根据作者在文献中的报告，这个振荡器的输出频率范围可以达到0.8~28.2GHz,调谐范围高达94%,相位噪声为-124.583dBc/Hz@1MHz[11]。2016年，国外基于80nmCMOS工艺设计了输出频率为2.92~6.8GHz的三级环形压控振荡器，版图面积仅为31.8um2，功耗只有几十微瓦[12]。在国内，VCO的研究同样取得令人惊叹的成果，2014年，中国科学院的盛志雄和于峰崎等人基于0.18umCMOS工艺，采用电流自适应技术设计一种低功耗LC VCO，实现了11.79~12.53GHz的输出频率，相位噪声为-104.7dBc/Hz@1MHz[13]。复旦大学的曹圣国教授，使用smic0.13umCMOS工艺制造出的VCO，相位噪声为-122dBc/Hz@1MHz，输出的中心频率5GHz。尽管研宄成果如此辉煌，但人们对压控振荡器的研究从未停止，随着半导体行业的发展和社会需求的不断提高，对VCO的研究和设计仍需付出不懈的努力。
中国台湾在IEEE上发表论文采用90纳米CMOS的低相位噪声210-GHz三推环形振荡器,为了提高三次谐波功率和相位噪声，提出了一种将两个反并联非对称环形振荡器与有效谐波组合耦合的新技术。它由两个带有共用电感的反并联电感 - 电容环形振荡器组成。通过适当地设计环形振荡器的尺寸和对称布局，优化了三次谐波的功率及其相位噪声。电感器，输出组合器和焊盘的协同设计在三次谐波处提供低损耗信号路径，在所有其他谐波处提供自然滤波。所提出的振荡器的原型以90nm标准CMOS工艺实现。振荡器在1 MHz偏移时实现-88 dBc / Hz的低相位噪声，在10 MHz偏移时实现-111.5 dBc / Hz，在210 GHz时峰值输出功率为-6 dBm。得到的品质因数在1 MHz偏移时为-179.7 dBc / Hz，在10 MHz偏移时为-183.4 dBc / Hz。由于架构简单，振荡器从1.1V电源电压消耗28.6 mW的直流电源，占用0.17 mm2的紧凑区域。振荡器的频率范围为204.3至215 GHz[1]。
合肥工业大学2018年提出一种高速CMOS环形振荡器设计，提出一种新型的差分延迟结构，并针对起振问题设计起振电路，使带有起振电路的高速压控振荡器具有更快的起振时间和良好的可靠性，并提出了一种偶数级环形振荡器的设计方案，中心频率为2.3GHZ，利用起振电路使其能够快速起振，当环形振荡器的控制电压为 1.2~2.0V时，其线性调谐范围 为1.9~2.6GHZ；电路设计采用TSMC0.18um生产工艺；在中心频率为2.3GHZ、偏移载波频率为10MHZ的情况下，环形振荡器的相位噪声为-112.89dBc/HZ。该电路可用于高速锁相环的设计中[14]。
|
年份 |
国内外 |
CMOS工艺 |
频率范围 |
相位噪声 |
|
2014 |
国外 |
65nm |
5.5~10.2GHz |
-83dBc/Hz@1MHz |
|
国内 |
0.18um |
11.79~12.53GHz |
-104.7dBc/Hz@1MHz |
|
|
2015 |
国外 |
65nm |
0.8~28.2GHz |
-124.583dBc/Hz@1MHz |
|
国内 |
smic0.13um |
中心频率5GHz |
-122dBc/Hz@1MHz |
|
|
2016 |
国外 |
180nm |
2.9~6.8GHz |
|
|
国内 |
参考文献
[1] Hsieh C L S , Liu Y C . A Low Phase Noise 210-GHz Triple-Push Ring Oscillator in 90-nm CMOS[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2018, 66(4) : 1983-199.
[2] Hazeri A R , Miarnaimi H . Generalized Analytical Equations for Injected Ring Oscillator With $RC$ -Load[J]. IEEE Transactions on Circuits amp; Systems I: Regular Papers, 2018, 65(1): 223-234.
[3] Kim S G , Rhim J , Kwon D H , et al. A Low-Voltage PLL With a Supply-Noise Compensated Feedforward Ring VCO[J]. IEEE Transactions on Circuits amp; Systems II: Express Briefs, 2017, 63(6): 548-552.
[4] Lin Y S , Hsu C W , Lu C L , et al. A Low-Power Quadrature Local Oscillator Using Current-Mode-Logic Ring Oscillator and Frequency Triplers[J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2013, 23(12): 650-652.
[5] Pankratz E J , Sanchez-Sinencio E . Multiloop High-Power-Supply-Rejection Quadrature Ring Oscillator[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2012, 47(9):2033-2048.
[6] Abdul-Latif M M , Sanchez-Sinencio E . Low Phase Noise Wide Tuning Range N-Push Cyclic-Coupled Ring Oscillators[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2012, 47(6):0-0.
[7] 万心平，张厥盛，郑继禹．论证振荡器相位噪声幂律谱的形成机理及低噪声振荡器的设计考虑[J],电子测量技术，1981（6）：49－55
[8] 徐锐墩，延波，谢俊．微波振荡器相位噪声的非线性电流源分析法，电子科技大学学报，1999，28（4）：371－373．
[9] 王东，陈岚，吕志强，等．基于非线性扰动分析的振荡器相位噪声研究．电子器件，2014(6):1102-1106.
[10] Abdelfattah O, Shih I, Roberts G et al. Optimization of LC-VCO tuning range under different inductor/varactor losses limitations[C]//Electrical and Computer Engineering(CCECE) 2014 IEEE 27th Canadian Conference on IEEE 2014: 1-5
[11] Schober S M, Choma J. A capacitively phase-coupled low noise, low power 0.8-to-282 GHZ quadrature ring VCO in 40nm CMOS C]//New Circuits and Systems Conference (NEWCAS) 2015 IEEE I3th International IEEE, 2015: 1-4
[12] Bhavana G, Ghosh P K, Shruti S. Design and analysis of improved performance ring VCO based on differential pair congfiguration[C] //2016 International Conference on Electrical Electronics, and Optimization Techniques, 2016: 3648-3672
[13] 盛志雄，于峰崎．A Iow-power current self-adjusted VCO using a bottom PMOS current source．半导体学报，2014，35(9)：126－130．
[14] 肖乃稼，何晓雄，崔华锐. 2.6GHz高速CMOS环形振荡器设计. 合肥工业大学学报，2018，41(8):
资料编号：[179595]
- 文献综述（或调研报告）：
国内外学者对VCO的研究主要集中在相位噪声的研究、VCO拓扑结构的优化以及针对CMOS工艺高性能电感、电容的制作。在相位噪声研宂方面，很多国内外学者进行了大量的研究并提出了各种各样的相位噪声模型，最具有代表性的，在国外有基于线性时不变系统假设的LESSON验模型、基于线性时变系统假设的Hajimiri模型和Demir基于非线性方法提出的相位噪声模型。在国内，1981年，万心平等人通过对相位噪声谱形和品质的研宄，提出了相位噪声指数和相位品质因数作为衡量振荡器相位噪声性能的综合指标[7]；1999年，徐锐敏和延波利用非线性电流源法分析了振荡器基波和各次谐波的稳态响应和相位噪声特性，并把这两种分析统合起来[8]。2014年，王东和陈岚等人基于非线性扰动分析，通过数值解析分析了不同种类的噪声源对相位噪声的影响[9]。这些模型和方法的提出，使人们对噪声源到相位噪声变换的机制有了清晰的认识，并提出了许多有效降低相位噪声的方法。
国外对VCO的研究起步较早，各知名院校和IC公司对此投入了大量的努力，并获得突破性的成果，如IBM、Philips、CSR、TI等公司相继推出自己的VCO产品，工作频率从几百兆赫兹到几十吉赫兹，应用领域包括蓝牙、WLAN、无绳电话、ＤＢＳ等。2014年，加拿大基于65nmCMOS工艺设计了频率为5.5~10.2GHz的LC VCO，其相位噪声为-83dBc/Hz@1MHz[10]。2015年，美国加利福尼亚大学在发表的文献中提出一种新颖的环形VCO结构，这个压控振荡器使用两个单端结构环形VCO通过电容互相耦合构成，根据作者在文献中的报告，这个振荡器的输出频率范围可以达到0.8~28.2GHz,调谐范围高达94%,相位噪声为-124.583dBc/Hz@1MHz[11]。2016年，国外基于80nmCMOS工艺设计了输出频率为2.92~6.8GHz的三级环形压控振荡器，版图面积仅为31.8um2，功耗只有几十微瓦[12]。在国内，VCO的研究同样取得令人惊叹的成果，2014年，中国科学院的盛志雄和于峰崎等人基于0.18umCMOS工艺，采用电流自适应技术设计一种低功耗LC VCO，实现了11.79~12.53GHz的输出频率，相位噪声为-104.7dBc/Hz@1MHz[13]。复旦大学的曹圣国教授，使用smic0.13umCMOS工艺制造出的VCO，相位噪声为-122dBc/Hz@1MHz，输出的中心频率5GHz。尽管研宄成果如此辉煌，但人们对压控振荡器的研究从未停止，随着半导体行业的发展和社会需求的不断提高，对VCO的研究和设计仍需付出不懈的努力。
中国台湾在IEEE上发表论文采用90纳米CMOS的低相位噪声210-GHz三推环形振荡器,为了提高三次谐波功率和相位噪声，提出了一种将两个反并联非对称环形振荡器与有效谐波组合耦合的新技术。它由两个带有共用电感的反并联电感 - 电容环形振荡器组成。通过适当地设计环形振荡器的尺寸和对称布局，优化了三次谐波的功率及其相位噪声。电感器，输出组合器和焊盘的协同设计在三次谐波处提供低损耗信号路径，在所有其他谐波处提供自然滤波。所提出的振荡器的原型以90nm标准CMOS工艺实现。振荡器在1 MHz偏移时实现-88 dBc / Hz的低相位噪声，在10 MHz偏移时实现-111.5 dBc / Hz，在210 GHz时峰值输出功率为-6 dBm。得到的品质因数在1 MHz偏移时为-179.7 dBc / Hz，在10 MHz偏移时为-183.4 dBc / Hz。由于架构简单，振荡器从1.1V电源电压消耗28.6 mW的直流电源，占用0.17 mm2的紧凑区域。振荡器的频率范围为204.3至215 GHz[1]。
合肥工业大学2018年提出一种高速CMOS环形振荡器设计，提出一种新型的差分延迟结构，并针对起振问题设计起振电路，使带有起振电路的高速压控振荡器具有更快的起振时间和良好的可靠性，并提出了一种偶数级环形振荡器的设计方案，中心频率为2.3GHZ，利用起振电路使其能够快速起振，当环形振荡器的控制电压为 1.2~2.0V时，其线性调谐范围 为1.9~2.6GHZ；电路设计采用TSMC0.18um生产工艺；在中心频率为2.3GHZ、偏移载波频率为10MHZ的情况下，环形振荡器的相位噪声为-112.89dBc/HZ。该电路可用于高速锁相环的设计中[14]。
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