Class-F VCO的实现方法

**1 **Traditional Class-B and Class-C VCO

图1给出了传统Class-B和Class-C结构的LCVCO。其中Class-B是最简单、最常见，也是最常用的结构，但其噪声性能和FoM并不是最优的。当输出摆幅到达VDD时，Class-B结构功耗和噪声达到最优 。

Class-B结构在一个振荡周期内会使M1或M 2 ，周期性的进入线性区，输出节点到地会存在一个低阻通路（图1（a）蓝线），从而降低谐振腔的Q值。

当M1或M2进入线性区后通过增大信号摆幅对相噪提升不大反而会降低了FoM。图1中大电容CT用于滤除MT管噪声，缺点是增加了输出到地的低阻通路，降低了Q值。

在M1和M2源端与MT漏端串联电感LT并让LT与CT工作在2ω 0 （ω0为LCVCO振荡频率），提高了M1和M2源端阻抗，同时抑制了尾电流管MT噪声上变频到振荡器的相位噪声，但这种方式开销很大，并不实用。

Fig1. Oscillator schematic: (a) traditional class-B; (b) class-C.

图1（b）Class-C结构通过对M1和M2栅端设置合理的偏置电压，可避免M1和M2进入线性区，从而保证谐振腔在整个振荡周期内都有较高的Q值。但这种结构的输出摆幅只有V DD /2左右，限制了其噪声性能。

**2 **Class-F Oscillator

2.1 Special ISF

假设VCO输出波形为方波（一般为正弦波），原理图及ISF波形如图2所示。方波（相对正弦波）使一个周期内M1和M2工作在线性区的时间变长，注入噪声的时间也变长，但这段时间内ISF的导数为0（图2（b）灰色阴影部分），注入的噪声并不改变相位。

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节可得出，方波信号对相位噪声是有好处的，那么问题是我们如何实现方波呢？通常很难得到完整的方波（无数正弦波叠加），但我们可以用一次基波和三次谐波（或更多谐波）来合成伪方波信号。

图3给出了传统正弦波产生过程，其中漏电流接近方波且包含ω 1 ，2ω 1 ，3ω1等多次谐波，经谐振腔的选频（谐振在ω1处）生成单一频率的正弦波。

Fig3. Traditional oscillator waveforms in time and frequency domains.

同理，我们将谐振腔谐振在ω1和3ω 1 ，输出电压波形就包含ω1和3ω1的频率成份，这样就得到了伪方波信号，过程如图4所示。

Fig4.Pseudo-square oscillator waveforms in time and frequency domains.

图4输出电压波形表达式为：V in =Vp1sin(ω0t)+ Vp3sin(3ω0 t+ΔΦ)

ξ为0、0.15、0.3（ξ=V p3 /V p1 ）时输出电压波形如图5所示，ξ从0~0.3变化时转换斜率不断增加，有利于提高相噪。输出波形在高/低电平附近时，ξ为0.15或0.3时的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谐振腔的具体实现方式文献[1]中已经描述的很清楚，限于篇幅这里不再详细介绍，有兴趣的可以仔细阅读。

② 图6为澳门大学Guo Hao提出的Class-F234 VCO，通过2, 3, 4谐波合成方波 。该结构在2019年ISSCC会议上再次被澳门大学Yang Zun Song引用。

Fig6. Class-F234 VCO

③ 图7是之前在Transformer based VCO一讲中提到的一种谐波产生方式，可参考其设计思路。

Fig7. (a) Z11 and (b) Z00 of a lossy transformer for different C 0 /C 1 .