维誉黄讯htp:www.cqvip.com 第8期 电子学报 Val.33 No.8 2005年8月 ACTA ELECTRONICA SINICA Ag,2005 电感电容压控振荡器调谐曲线的时域分析 唐长文，何捷，营洪彦，张海青，闵吴 (复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室，上海200433) 摘要：本文提出了一种基于周期计算技术的压控振荡器频率电压调谐曲线的分析方法.在传统的谐波平衡 近似方法中，通过大信号非线性分析方法可以计算出一个周期内可变电容的有效电容值.然而通过有效电容推导的调 谐曲线并不准确，况且如果高阶谐波分量不可以忽略的话，谐波平衡近似分析方法将会变得很复杂，本文提出的周期 计算方法所得到的振荡调谐曲线比传统谐波平衡近似分析方法更加精确.在0.35m2P4 M CMOS工艺上实现的电感电 容压控振荡器的实验测试证明了该理论分析的正确性. 关键词：MOS管可变电容；电感电容回路；压控振荡器；累积型MOS管；振荡调谐曲线 中图分类号：TN4 文献标识码：A 文章编号：0372-2112(2005)08-1467-06 Time-Domain Analysis of LC-VCOs'Tuning Curves TANG Zhang-wen,HE Jie,JIAN Hong-yan,ZHANG Hai-qing,MIN Hao ASIC System Stnte Key Laboratory,Fudan University,Shanghai 200433,China) Abstract:This paper describes a new analytical method of tuning curves of a LC-tank voltage-controlled oscillator (VCO)with period calculation technique.In traditional analysis method,the hammonic approximation is employed,and an effective capacitance of varactors during one period is calculated by the large-signal nonlinear analysis.However,the oscillator tuning curve derived from the effective capacitance is inaccurate,and complex if higher order harmonics could not be neglected.In this paper a novel convenient method of calculating oscillating period is proposed.With this period calculation technique,the prediction of oscillator tuning curves is more accurate compared with the traditional harmonic approximation.The theoretical analyses are experimentally validated with a CMOS complementary LC-tank VCO implemented in 0.35um 2P4M CMOS process. Key words:MOS varactor;LC tank;voltage-controlled oscillator (VCO);accumulation MOS;oscillator tuning curve (OTC) 1引言 本文的工作8]就是：在第二节对采用非线性可变电容的 压控振荡器电路进行了理论分 互补、交叉耦合型负阻结构的电感电容压控振荡器如图 析，给出了谐波平衡近似计算 1所示，交叉耦合的PMOS管对和NMOS管对产生一个负阻用 有效电容的方法；第三节从时 来抵消片上电感和可变电容中的串联电阻，从而使得电感电 间域角度对电感电容谐振电路 容谐振电路能够持续振荡起来.目前有许多发表的文章1,2】 的周期进行了理论推导，得到 中的电感电容压控振荡器电路采用了这种结构，但是它们的 了一种频率电压调谐曲线的 频率-电压(F.V)调谐曲线都是采用SICE仿真或者是侧试得 计算方法：在第四节中我们提 到的，很少是通过理论分析计算得到的.在文献[2]中，S.Lev- 出的周期计算方法与其他文献 antino等人提出了一种频率-电压调谐曲线分析方法，并且采 中的方法进行了详细比较：在 用数值计算的方法得到了FV调谐曲线，我们知道数值计算 最后两节中我们采用HSPICE 是一个复杂而且费时的方法，特别当改变偏置电流的情况下， 软件对串联电感电容谐振电路 整个数值计算结果需要重新进行计算.在文献[3]中，E Hegazi 和压控振荡器电路进行仿真验 等人通过可变电容小信号模型和非线性分析得到了一个精简 证，并且压控振荡器电路进行 的有效电容的计算公式，从而计算得到FV调谐曲线，然而 了流片测试验证，仿真和测试图1CMOS互补、交又糯合型 负阻结构压控振荡器 该方法是基于电容的小信号模型且忽略了高次谐波分量得到 验证结果表明理论公式计算的 的，在一定程度上存在误差。 FV调谐曲线与仿真和测试结果非常吻合. 收稿日期：2004-08-19：缘回日期：2005-01-05 基金项目：上海市科学技术委员2003年度集成电路设计科技专项(No.037062019):上海-应用材料研究与发展基金(No.0425)第 8期 2005年 8月 电 子 学 报 ACTA EIECI1R0M CA sIM CA V01．33 No．8 Aug． 2005 电感 电容 压 控 振 荡器 调 谐 曲线 的 时域 分析 唐长文，何 捷，菅洪彦 ，张海青，闵 昊 (复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室 ，上海 200433) 摘 要： 本文提出了一种基于周期计算技术的压控振荡器频率一电压调谐 曲线的分析方法 ．在传统的谐波平衡 近似方法 中 ，通过大信号非线性 分析 方法可以计算 出一个周期 内可变电容的有效 电容值 ．然而通过有效 电容推导 的调 谐 曲线并不准确 ，况且如果高 阶谐 波分量不可 以忽略 的话 ，谐波平 衡近似 分析方法将 会变得 很复杂 ．本文提 出的周期 计算方法所得 到的振 荡调谐 曲线 比传统谐波 平衡 近似分析方法更加精确 ．在 0．35tan 2P4MCMOS工艺上实现 的电感 电 容压控振荡器 的实验 测试 证明 了该理论分析 的正确性 ． 关键词 ： MOS管可变 电容 ；电感 电容 回路 ；压 控振荡器 ；累积型 MOS管 ；振荡调谐 曲线 中图分 类号 ： TN4 文献标识码 ： A 文章 编号 ： 0372—2112(2oo5)08-1467—06 Time-DomainAnalysisofLC-VCOs’Tuning Curves TANG Zhang-wen，HEJie，JIAN Hong—yan，ZHANG Hai—qing，MIN Hao (ASIC＆5如 StateKeyLak~atory，FudanUniversity，Shanghai200433，Ch／na) Abstract= ThispaperdescribesallewanalyticalmethodoftuningcurvesofaLC—tankvoltage-controlledoscillator(vco)with period calculationtechnique．In traditionalanalysisme thod ，theharmonicapproximation isemployed，and allefec tivecapacitanceof varactorsduring ollepe riod iscalculatedbythe large-signalnonlinearanalysis．However，the oscillatortuning eurvederived from the efectivecapacitanceisinaccurate，andcomplexifhigheroMerharmonicscouldnotbeneOected．In thispaperanovelconvenient me thod of calculating oscillating pe riod ispmpesed．W ith thisperiod calculationtec hniqu e，thepredictionof oscillatortuning curvesis IIioreaccurate compared wi th the traditionalharmonic approximation．The theoreticalanalysesare expe rimentally validated wi th a CMOScompleme ntaryLC—tankVCOimpleme ntedin0．35tma2P4MCMOSprocess． Key、『IIonds： MOSvaractor；I|Ctank；voltage-controlledoscillator(vco)；accumulationMOS；oscillatortuning curve(om ) 1 引言 互补 、交叉耦合 型负阻结 构 的电感 电容压控 振荡 器如 图 1所示 ，交叉耦合的 PMOS管对 和 NMOS管对 产生一 个负阻用 来抵消片上电感和可变 电容 中的 串联 电阻 ，从 而使得 电感 电 容谐振 电路 能够 持续 振荡 起来 ．目前 有许 多发 表 的文 章 lI2J 中的电感电容压控振荡 器 电路 采用 了这种结 构 ，但是 它们 的 频率 一电压(F-V)调谐 曲线 都是 采用 SPICE仿 真或者是 测试得 到的 ，很少是通 过理论分析计算得 到 的．在文 献 [2]中 ，S．Lev— antino 等人提出 了一 种频率 一电压 调谐 曲线 分析 方法 ，并 且采 用数值 计算的方法得到 了 调谐 曲线 ．我们 知道数值 计算 是一个复杂而且费时 的方法 ，特别当改变偏置 电流 的情 况下 ， 整个数值计 算结果需要重新进行计算 ．在文献 [3]中 ，EHegazi 等人通过可变电容小信号模型 和非线性 分析得到 了一个精简 的有效 电容 的计算 公 式 ，从 而计算 得 到 调谐 曲线 ．然 而 该 方法是基于电容的小信号模型且 忽略了高次谐波分量得 到 的 ，在一定程度上存 在误 差 ． 本文 的工作 [8]就是 ：在第二节 对采用非 线性可 变电容 的 压控振荡器 电路 进行 了理论 分 析 ，给 出 了谐波 平 衡 近似 计 算 有 效电容 的方 法 ；第 三节 从 时 Mpl 问域角度对 电感电容谐振 电路 的周期进 行 了理论 推 导 ，得 到 了一种 频 率一电压 调 谐 曲线 的 计 算方法 ；在第 四节 中我 们 提 出的周期计算 方法与其他文 献 中的方法 进 行 了详 细 比较 ；在 - 最后 两节 中 我 们 采 用 HSPICE 软件对 串联 电感电容谐振 电路 和压控振荡器 电路 进行仿 真验 证 ，并且 压 控振 荡 器 电路 进 行 了流片测 试验 证 ，仿 真和 测试 团 验 证结果表 明理论公式计算 的 ] < [ ／ ’ L I， L — 厂 ^ 2 CMOS互补、交叉耦合型 负阻结构压控振 荡器 调谐 曲线 与仿真和测试结果非 常吻合 ． 收稿 日期 ：2OO4-O6．19；修 回 日期 ：2005-01—05 基金项 目：上海市科学技术委 员 2003年度集成电路设 计科技 专项(No．037062019)；上海 应用材料研究 与发展 基金(No．0425) 维普资讯 http://www.cqvip.com