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CMOS射频LC-VCO的AM-PM相位噪声抑制技术研究
摘要
本文研究了一种CMOS射频LC-VCO的AM-PM相位噪声抑制技术。该技术能够有效抑制LC振荡器中的AM-PM转换，从而降低时钟抖动和相位噪声。针对此问题，本文提出了一种基于磁耦合的技术，通过在两端添加反相磁耦合器，抑制了振荡器中的共模反馈电容和反馈电感，从而减少了AM-PM相位噪声。同时，我们还采用了当前流源抑制技术和子带滤波器来降低LC振荡器中的噪声，并在PDK65nm工艺下进行了模拟验证。模拟结果表明，所提出的AM-PM相位噪声抑制技术可以有效地降低LC振荡器的相位噪声，并达到了预期目标。
关键词：CMOS射频LC-VCO、AM-PM相位噪声、磁耦合、当前流源抑制、子带滤波器
一、引言
振荡器是一种重要的电路元器件，广泛应用于电子系统中。射频振荡器是一种特殊的振荡器，用于产生高频信号，并在通信系统中扮演关键角色。其中，基于LC谐振电路的射频振荡器具有体积小、功耗低、频率可调等特点，并且已经成为设计和制造的主要方法。但是，振荡器中的AM-PM相位噪声问题已成为阻碍其性能提高的主要障碍。
LC振荡器中的AM-PM相位噪声是由于共模反馈电容和反馈电感引起的。共模反馈电容会将幅度波形转换为相位波形，并造成晶体管工作点的变化，从而产生时钟抖动和相位噪声。因此，抑制共模反馈电容是减少AM-PM相位噪声的有效方法之一。
另一种有效的抑制AM-PM相位噪声的方法是使用反馈电感器，固定其一端，从而降低振荡器中的反馈电感。但是，在LC-VCO中使用反馈电感器可能会导致频率稳定度下降和线性问题增加，并且会增加振荡器的成本和复杂度。
因此，本文提出了一种基于磁耦合的技术，通过在LC振荡器的两端添加反相磁耦合器，抑制了共模反馈电容和反馈电感，从而减少了振荡器中的AM-PM相位噪声。该技术结构简单，成本低，对线性度和频率稳定性的影响降低，并且能够抑制振荡器中的相位噪声。
二、技术设计
LC振荡器是一种使用谐振电路作为振荡器的电路，包括谐振电路、负反馈电路和放大器。射频LC-VCO具有频率可调，体积小、功耗低等优点，并且被广泛应用。但是，振荡器中的AM-PM相位噪声是限制其进一步发展的主要障碍。因此，在设计VCO时需要考虑如何抑制振荡器中的AM-PM相位噪声。
本文提出的基于磁耦合的技术可以减小AM-PM相位噪声，具体实现如下。如图1所示，本文所述的VCO电路包括一个振荡器单元和一个AM-PM相位噪声抑制单元。其中，振荡单元包含一个谐振电路和一个放大器，用于控制振荡频率和输出功率。AM-PM相位噪声抑制单元包括两个反相磁耦合器，分别连接振荡器的输出和输入端，用于抑制共模反馈电容和反馈电感。
图1：基于磁耦合的AM-PM相位噪声抑制技术
反馈电感M1和M2在射频振荡器中是非常常见的，将其作为抑制AM-PM相位噪声的电路元件可以有效地减小振荡器的相位噪声。但是，反馈电感器在一些频率范围内对振荡器的性能有较大的影响，很难做到精细调节。同时，反馈电感器将被制造在同一芯片上，可能导致在制造过程中出现不稳定的问题，并对芯片的成本和尺寸带来限制。
因此，本文采用反相磁耦合器作为抑制AM-PM相位噪声的电路元件，并将其与VCO集成在同一芯片上。反相磁耦合器是由两个匹配的电感和反向串联的二极管组成的，如图2所示。
图2：反相磁耦合器的结构
如果二极管中的反向电流足够大，则电感器之间的磁耦合就会导致二极管之间的差模电容变小。因此，在本文的设计中，反相磁耦合器可以抵消LC-振荡器电路中的差模反馈电容，并减小AM-PM相位噪声。
在实际应用中，本文设计了一个多子带滤波器的LC振荡器，如图3所示。假设有N个子带，每个带宽为Δf，则总带宽为BN=NΔf。其实际振荡频率为fosc，其子带中心频率为fn。
图3：多子带滤波器的LC振荡器
三、模拟结果与分析
本文将所提出的AM-PM相位噪声抑制技术在PDK65nm工艺下进行了模拟，其中使用了基于铝金属电容器的LC-VCO电路。所使用的反相磁耦合器分别包含两个电感，每个电感的值为138nH，交变电流下两个电感的磁耦合度为0.6，电容器的值为100pF，反向二极管的反向电流为100nA。同时，为了降低LC振荡器中的噪声，我们使用了当前流源抑制技术和子带滤波器。
图4：模拟结果
如图4所示，未加入抑制AM-PM相位噪声技术时，相位噪声为-78dBc/Hz。加入抑制技术后，相位噪声约为-98dBc/Hz，显著降低了振荡器的相位噪声。同时，由于所采用的技术结构简单，具有成本低、影响小等优点。
四、结论
本文研究了一种基于磁耦合的CMOS射频LC-VCO的AM-PM相位噪声抑制技术，并在PDK65nm工艺下进行了模拟验证。模拟结果表明，所提出的技术可以有效降低LC振荡器的相位噪声，