一种基于Transformer结构的VCO介绍

1 VCO需要注意什么

常规LCVCO由电感、电容、负阻、偏置组成，每个模块有很多种实现方式，下面给介绍一下各模块设计时的注意事项。

1.1 电感

电感有平面螺旋结构和堆叠结构。主要技术指标有品质因子（Q）、自谐振频率（F）、感值（L）。电感下面要加shielding，两侧要加isolation wall以提高Q值。Q值的提高主要从增大感值和减小串联电阻角度考虑，F值的提高主要从减小寄生电容角度考虑，L值可以从结构、线圈匝数角度考虑。

1.2 电容

LCVCO通常需要电容阵列和varactor电容来实现较大的频率覆盖范围，电容阵列和varactor电容的尺寸、结构也有很多需要考虑的地方。图1给出了几种实用的单开关电容阵列结构，限于篇幅不再介绍每种结构的优缺点。

Fig1. 单开关电容阵列结构

1.3 负阻

负阻有nmos-only(a), nmos-stack(b), pmos-only(c), cmos(d)，结构，如图2所示，其中nmos-only适用于高频，cmos结构适用于低功耗。

Fig2. 常见负阻结构

1.4 偏置

偏置电路需要滤波滤除来自基准、耦合及本身的噪声，图3所示为两种不同结构的偏置噪声滤波器，R1（倒比管M3）和C1（M4）的时间常数决定噪声带宽，噪声带宽至少要小于PLL环路带宽，因为PLL可以抑制VCO的带内噪声。

相同RC时间常数下，右侧结构消耗更小的面积。相同RC常数下，当M3等效电阻较大，M4等效电容较小时消耗面积最小。当截止频率为5kHz（R1=1MΩ，C1=30pF）时偏置建立时间需要200us，这会严重影响PLL的锁定时间。为减小面积，M4采用MOS电容并在上面叠MOM电容的方式。

Fig3. 不同结构的偏置滤波器

1.5 常见LCVCO结构

由电感、电容、负阻、偏置的不同组合可得到图4所示不同结构的LCVCO，同样限于篇幅不再介绍每种结构的优缺点。

Fig4. 常见LCVCO结构

2****Transformerbased VCO

图5给出了一种Transformer based VCO^[1]^，该结构中的电容、负阻、偏置跟第一章的结构类似，主要区别是将第一章中的电感换成了变压器。合理设置C0和C1的比值（1.8）及模式0/1的选择可覆盖7~18.3GHz，18.3GHz的相位噪声为-100dBc/Hz @ 1MHz。

该结构将开关串联在负阻管交流地，避免让电感串联一个电阻，提高了电感的Q值。输出通过AC-coupled self-biased inverter结构减小DC失调的同时实现满摆幅放大。

Fig5. Transformer based VCO

Z11和Z00的幅频和相频特性如图6所示。图中可以看出当C0/C1足够大（大于1.8）时，Z11相位只有一个过0点，因此，设置C0/C1大于1.8可以使Z11只有一个谐振点。随着C0/C1比值不断增大，Z00的幅度不断降低，因此，功耗限制了C0/C1的最大值。在频率调节过程中（粗调和细调）要时刻保持C0/C1的比值在1.8左右，以免谐振到谐波。

Fig6. (a) Z11 and (b) Z00 of a lossy transformer for different C0/C1

图7给出了Transformer的背景照片及结构，L0通过顶层金属与次顶层串联的方式增大L0感值，从而实现L0=L1。VCO面积仅为120 x 270 um^2^，最大功耗仅为4.4 mW。

Fig7. Chip micrograph and layout details