毫米波振荡器设计知识笔记

毫米波振荡器设计知识笔记（来源于网络，文档下载需+ "eeeknow04"）

一、相位噪声基础

定义与数学描述
• 公式： L ( Δ ω ) = 10 log ⁡ 10 ( P n o i s e ( Δ ω , 1 H z ) P c a r r i e r ) \mathcal{L}(\Delta\omega)=10\log_{10}\left(\frac{P_{noise}(\Delta\omega,1Hz)}{P_{carrier}}\right) L(Δω)=10log10(PcarrierPnoise(Δω,1Hz))

• 物理意义：单位带宽（1Hz）内噪声功率与载波功率的比值。

• 时域-频域关联：

• 时域抖动（Jitter）表现为零交叉点的随机偏移，频域体现为相位噪声。

• 关键指标：1MHz偏移的相位噪声决定通信系统误码率（如-101dBc/Hz@1MHz for 64QAM）。

二、谐振腔设计与优化

LC谐振腔特性
• 谐振频率： ω 0 ≈ 1 / L C \omega_0 \approx 1/\sqrt{LC} ω0≈1/LC

• 毫米波挑战：电感L和电容C需极小（如200pH+200fF@25GHz），工艺寄生电容占比显著。

• Q因子与阻抗：

• R P = Q L 2 r L ∥ Q C 2 r C R_P = Q_L^2 r_L \parallel Q_C^2 r_C RP=QL2rL∥QC2rC（ Q L Q_L QL为电感Q， Q C Q_C QC为电容Q）

• Q主导因素：

开关电容调谐
• 差分开关电容优势：

• Q值比单端结构高2.4倍（关闭状态）和1.4倍（开启状态）（文档图24）。

• 设计权衡：开关尺寸需平衡导通电阻（ r o n r_{on} ron）与寄生电容（ C o f f C_{off} Coff）。

• 调谐范围计算：

• FTR（频率调谐范围）= ( f m a x f m i n ) 2 = C m a x C m i n \left(\frac{f_{max}}{f_{min}}\right)^2 = \frac{C_{max}}{C_{min}} (fminfmax)2=CminCmax

• 案例：25GHz时， C o n / C o f f = 1.5 C_{on}/C_{off}=1.5 Con/Coff=1.5可支持16% FTR（文档21页）。

三、低相位噪声振荡器拓扑

Class-B振荡器
• 核心结构：交叉耦合差分对（NMOS-only，避免PMOS低迁移率问题）

• 导通角：~50%（电流波形接近方波）

• 相位噪声公式：

• 尾电流源噪声：

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◦ 晶体管尾电流引入1/f³噪声，需长沟道设计（如240nm）和尾节点电容滤波（文档13页）。

Class-C振荡器
• 核心改进：

• 低导通角（<50%）：通过负压偏置（ V B G < V T H V_{BG}<V_{TH} VBG<VTH）实现"薄而高"的电流脉冲，提升电流效率（ η I \eta_I ηI）。

• 谐波整形：尾端电容 C t a i l C_{tail} Ctail滤除高次谐波（文档19页波形图）。

• 挑战与解决方案：

• 启动问题：静态偏置可能导致无法起振，需动态偏置电路（如基于运放的反馈环路）。

• 案例：结合变压器谐振腔， A V = 1.6 A_V=1.6 AV=1.6被动增益将FoM提升至191.4dBc/Hz（文档19页）。

谐波整形技术
• 尾端谐振腔：

• 在尾节点引入谐振于 2 f 0 2f_0 2f0的LC网络，抑制二次谐波噪声（文档20页）。

• 效果：FoM提升3dB，1/f³拐点从240kHz降至<10kHz。

• 隐式共模谐振：

• 通过电容分压（ C S E / C D = 1 : 3 C_{SE}/C_D=1:3 CSE/CD=1:3）实现共模谐振于 2 f 0 2f_0 2f0，无需额外电感（文档24页）。

四、多核同步振荡器

核心原理
• N核耦合：等效阻抗 R P / N R_P/N RP/N，相位噪声理论上降低 N N N倍。

• 毫米波优势：电感面积小（如25GHz时单核0.1mm²），多核总面积仍可接受（文档30页）。

耦合方式
• 同心连接：通过电阻 R C R_C RC强制同步，但需 R C < 800 Ω R_C<800\Omega RC<800Ω（文档31页）。

• 环形连接：利用磁耦合保持高Q值，支持16核级联（文档34页案例）。

• 性能对比：

指标	单核	双核	四核
PN@1MHz	-104dBc	-108dBc	-112dBc
面积（mm²）	0.1	0.2	0.4

五、频率调谐扩展技术

模式切换
• 电容切换：

• 奇偶模式通过开关切换电容网络，支持2倍频率扩展（文档41页）。

• 磁耦合极性切换：

• 改变变压器耦合系数 k k k的正负，FTR提升30%（文档43页）。

组合切换
• 案例：电容+磁耦合+电感切换，覆盖18.6--40.1GHz（文档47页）。

• 挑战：部分模式Q值下降（如奇模 Q T Q_T QT从12.5→8），需折衷设计。

六、设计权衡与未来方向

关键权衡
• 电压效率 vs. 噪声：Class-C的 η V = 44 % \eta_V=44\% ηV=44%（文档19页）低于Class-B，但通过变压器被动增益补偿。

• 面积 vs. 性能：多核耦合以面积换PN，适合毫米波小电感场景。

未来趋势
• 全模式高性能切换：需解决奇模Q值下降问题（如三维电感结构）。

• 工艺适应性：FinFET工艺的寄生电容更小，有望进一步提升 Q T Q_T QT和FTR。

附：关键性能指标速查

拓扑	FoM (dBc/Hz)	1/f³拐点	功耗 (mW)
Class-B（尾电流）	187.4	240kHz	4.0
Class-C（变压器）	191.4	110kHz	4.4
双核环形耦合	191.3	<10kHz	11.2

此笔记结合理论公式、设计案例和性能对比，适合作为技术分享材料。如需进一步探讨某一部分（如多核耦合的阻抗匹配细节），可针对性扩展。