一个关于VCO的开关电容对相位噪声影响的问题，请大家讨论

mainhand

一个关于VCO的快开关电容对相位噪声影响的问题，请大家讨论

       我正用smic013rf（中芯国际）的process做一个1~2GHz的VCO，采用pmos作电流源，LC谐振，交叉nmos对作负阻，用四路（4-bit）开关电容做粗调谐，其中开关用一般的nmos管。在仿phase noise（PSS+Pnoise）时，四路开关管的id noise占最大比重，其噪声绝对值也远远大于pmos电流源和rfnmos耦合负阻对的噪声，尤其是高bit的最大面积的nmos开关影响最甚，能达60%的比例。而且不管怎么调尺寸，开关无论关或断，开关管对相噪都有很大贡献。当然开关断开时id noise占主要，闭合时fn noise（1/f）占主要。我想问这是什么原因引起的并怎么减小开关噪声让其占很小的比例。请高手或有这方面经验或见解的大侠们赐教！畅所欲言！谢谢。

moorehuang

首先我要问楼主两个问题：
1。一个1~2GHz的VCO，只用4个control bit，那Kv要多少才能满足频率要求？而系统给出的spec要求Kv要多少才能满足spur的要求？我觉得如果Kv上了100MHz/V，都是比较大的了。因此我觉得control bit要多做几个。我做过900M到1.7G的，用了6个control bit，而Kv还是偏大。
2。以我的经验，一般在低频率offset下贡献相躁最多的是尾电流管的flicker noise，而从楼主的描述看应该这个应该控制得比较好，不知楼主有没有采取什么滤波或者别的技术？现在的相躁在10K，100K和1M处分别是多少？

moorehuang

对于阵列电容开关引入的相躁，我觉得不可避免。

但我们要明白的是，这些管子只是开关管，宽长比可以取的较随意。

导通时的开关管相当于一个电阻（一般不会远大于Rp），而这个电阻并联在tank上，等同于减小了Rp，从而减小了Q值，因此相躁会恶化。
而关闭的开关管相当于一个电容，主要影响的是振荡频率。

如果楼主觉得flicker noise大的话，没有别的办法，只能增加管子的尺寸；而为了减小导通电阻，宽长比要做得大。
然而，增大尺寸带来的后果就是寄生电容也大了，影响了振荡频率，因此管子尺寸的选择是一个折衷

moorehuang

而且有一点，楼主看到的“nmos开关影响最甚，能达60%的比例”是通过noise summary看到的吧？
其实noise summary看到的是output noise，也就是tank两端的AM噪声，而不是相躁。相躁是AM噪声通过调制变容管产生的。因此，60％这个比例并不是最终nmos开关对相躁的贡献。当然，两者之间肯定是有定性的联系，但是定量的联系现在学术界还在争论吧。

mainhand

首先，非常感谢moorehuang朋友的热心回复和深入讨论！也欢迎其他同仁加入讨论。
我就从以下几点进一步谈谈：
1. 1～2GHz的输出频率范围用4－bit swith cap粗调谐是比较少的，最大的Kvco能达250MHz/V左右。现在我正新调一个800M－2.1GHz
的VCO，用5－bitswich cap，还是用simc013rf，1.2V电压的process，最大的Kvco达210M/V左右，但是由于低频处的非线性使f-V曲
线两端比较平坦，在800M附近只有20M/1.2V，难在相邻曲线达到50％的交叠。另外，bit数越多，pll锁定时间也会很长，可能需要
AFC电路。
2. 对于尾电流管（我用pmos，1200u/2.5u）的热噪声和flicker noise，我是在其栅极加了一个用两pmos做的lowpass RC电路，其中
R是处于深三极管区的长沟道pmos做的，可以肯定尾电流的栅极上的噪声源都已滤掉（因为我用1uF外接理想电容代替该RC时，相噪没
有变得更好），但其flicker noise仍然不小。
3. 开关管对相噪的影响：在2G附近的曲线的相噪的是－[email=62dBc/Hz@10K]62dBc/Hz@10K[/email],－[email=92dBc/Hz@100K]92dBc/Hz@100K[/email],－[email=118dBc/Hz@1M]118dBc/Hz@1M[/email],都没有达到标准（要求是
－74，－100，－120），而加控制位在1.8GHz附近的曲线相噪却更差，曲线从offset100K处开始大大凸起来，到10K处慢慢回落，此
时noise summary里面各个开关管的id noise和已打开开关的fn noise都大大高于尾电流管和负阻对管。只有到1G附近时的相噪才比
较正常，各开关管id noise才占次要地位。
4. 我的一些尝试：现在开关管尺寸是：bit0：12u/0.13, ....., bit5: 12u*16/0.13,是用一般的nmos管子，一端接地一端接电容。
1）减小各管尺寸，某个频点相噪却会好些，其id noise也较小，当然频率会升高，但在其他频点还是很差。
2）我还用process里面的一种低阈值nmos管作开关，尺寸不变，一下就没有上面的问题，相噪也较好。但这种管子是要另外收费的，
不能用的，仅仅尝试下。
3) 换用一般的pmos作开关，问题同一般的nmos，仍有很大的id noise。
4）我在pss的options里面的method选用euler算法时（一般跑pss时，options是默认的吧，euler应该是一种精度较低的方法），关
于开关的id noise会大大低于其他各管，相噪曲线也很正常，但是这种method跑出的的结果我也不敢完全接受，因为对于完全对称的
负阻交耦对的rfmos管的noise却有较大的差异，有时相差几倍，这点很令我不解。
5. 我的问题：
对于开关的id noise
1） noise summary里面的id noise是不是热噪声，即栅极电阻和沟道电流引起的噪声？但我开关的finger数较多，栅电阻应该很小
，而开关上面是电容，不管开还是断都是没有直流电流的，那id noise从何而来？难道是输出端上的瞬态电流？
2） 对于这个开关的id noise对相噪的影响的特殊问题，一般文献似乎根本没有考虑开关的噪声影响，我想确切知道这个问题是
smicrf工艺问题还是tool问题，如对pss的设置？还是我的电路设计本身就有问题？
3） 对于moorhuang朋友关于“导通时的开关管相当于一个电阻（一般不会远大于Rp），而这个电阻并联在tank上，等同于减小了Rp
，从而减小了Q值，因此相躁会恶化。”的说法我有点疑问，如果是这样，如不考虑开关的fliker noise，那导通电阻不是越大越好
？开关尺寸越小越好？而一个理想的开关导通电阻是零的，我认为Ron是与电容串联，Ron越小，该支路的Q越大，那整个tank的Q也因
该越大。不知对否！
再次感谢moorhuang和关注此帖的朋友。我的msn：manhand@hotmail.com, 希望moorhuang和其他同仁可以加我，以进一步交流。谢谢
！

moorehuang

楼主说的对，我没写清楚，开关管的Ron实际是串联在电容上的，定性的说串联电阻越小，并联电阻越大，对Q的影响越小（这个和电感的串联电阻的大小原理是一样的）

moorehuang

对楼主的问题，我只能谈谈我的理解：
1。我觉得楼主电容阵列的结构可以考虑改进。楼主做的是开关管一边接电容一边接地，我觉得这样子做很难保证tank的对称性，虚地点不虚地。我做的是开关管两边各接一个大小相等的电容，这样我觉得可以做的比较对称。不知道这个对相躁的影响有多大，我没有尝试过
2。noise summary里面的id noise就是razavi书上说的mos管的thermal noise。
3。不知道楼主有没有改变过尾电流的大小跑过相躁？以我的经验，每个频率都会有一个最优化的尾电流，所对应的相躁最小。（整个问题我在论坛上也发过帖问过，现在还没有找到比较好的解释）
4。另外还有一点，就是楼主说
“对于尾电流管（我用pmos，1200u/2.5u）的热噪声和flicker noise，我是在其栅极加了一个用两pmos做的lowpass RC电路，其中 g& }; a5 n1 b) I9 ~  I" QR是处于深三极管区的长沟道pmos做的，可以肯定尾电流的栅极上的噪声源都已滤掉（因为我用1uF外接理想电容代替该RC时，相噪没 e( E2 \' q/ z2 t" o有变得更好），但其flicker noise仍然不小。”


我没有想明白为什么使用lowpass呢？因为尾电流管栅极的flicker noise肯定是低频噪声，通过开关对类似单平衡mixer的原理把这部分噪声混到基波频率附近。
所以我觉得楼主所描述的flicker noise没有小，不是因为噪声源已经滤掉，而是因为lowpass filter不能起到作用。（仅是我个人观点，不正确请楼主和各位大侠指教！）

moorehuang

我自己也有一个疑问没有解决，http://www.eetop.cn/bbs/viewthread.php?tid=89609&highlight=%2Bmoorehuang
楼主或者其他朋友如果有兴趣，欢迎来讨论，希望各位不吝赐教，谢谢！

intercon

这个帖子不错，不要沉下去

zwtang

建议Varactor使用I-MOS可变电容，开关管也使用I-MOS可变电容。I-MOS可变电容自身具有开关特性，不需要另外的MOS开关。
做宽带压控振荡器建议参考下面的文章
袁路，唐长文，闵昊，“一种低调谐增益变化的宽带电感电容压控振荡器”，半导体学报，2008年，第五期，第29卷，第1003-1009页。