基于22纳米FDSOI工艺的坦克型优化20 GHz VCO设计，通过四次谐波提取技术实现193.8 dBc/Hz的峰值频谱纯度

《IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs》：Design of a Tank-Optimized 20 GHz VCO with Fourth Harmonic Extraction Achieving 193.8 dBc/Hz Peak FoM in 22 nm FDSOI

　　

摘要：

在本文中，我们介绍了如何在CMOS技术中实现B类LC VCO的最佳性能指标。主要讨论了以下方面：a）系统分析如何选择最佳的基本振荡频率fO，以便同时实现低相位噪声和高功率效率，从而获得最佳性能指标。我们发现，最佳fO与频率调谐范围直接相关。例如，在所采用的技术中，3%的频率调谐范围对应的最优工作范围为10 GHz至20 GHz。更宽的频率调谐范围会缩小实现最佳相位噪声和性能指标的工作范围；b）我们提出了一种LC谐振腔的逐步尺寸设计方法。该方法基于对谐振电路组件的迭代电磁仿真，并根据与技术无关的设计自由度进行优化。针对不同的Cmax/Cmin比值，我们对从相位噪声和性能指标的解析表达式中得出的10 log10(L/(CRT))和20 log10(RT √C/L)这两个参数进行频率优化。利用这些分析结果，我们在22nm FDSOI CMOS技术中设计了一种多谐波B类LC-VCO，该器件可输出两个信号——一个为基频信号（H1），另一个为直接从核心提取的第四谐波信号（H4）。在1MHz偏移量、0.4V供电条件下，该VCO的相位噪声性能分别为193.8 dBc/Hz；在20 GHz和80 GHz时，相位噪声性能分别为188.2 dBc/Hz。实验表明，B类VCO在相位噪声和性能指标方面均优于C类或F类VCO，而且这一优势是通过所提出的LC谐振腔设计方法实现的，无需额外的电路结构，如波形整形、核心耦合等。因此，该器件的核心面积仅为0.05mm2。