Study on Dual-Band Voltage Control Oscillator and High Performance Transformers

本論文最主要的目的在於製作及探討被動元件與電壓控制震盪器，首先製作高效能變壓器分析變壓器之Q值與自振頻率並且由變壓器轉換特性阻抗探討變壓器效能，其次介紹3D變壓器之結構以及閘數比之定義，並設計不同閘數比之3D變壓器，藉由使用多層金屬層繞線達到高耦合係數及不同閘數比，並分析閘數比與耦合係數，第三設計開關切換感值之電感，利用切換電感線圈達到切換電感值之效果，由直流與高頻兩方面分析元件特性，直流時討論切換線圈時電阻值的變化，在高頻方面以等效電路解釋元件行為，最後利用開關切換感值之電感元件應用在電壓控制震盪器中，電路的設計、模擬、量測等，文中有詳述。文中元件部份使用Foundry 0.13um RFCMOS 製程，電路使用TSMC 0.18 um RFCMOS標準製程來實現。 元件量測方式主要使用on wafer量測，在接上BIAS-T到網路分析儀量測。探討量测與模擬的差異，並且製作等效電路加以分析。電路量測方式主要是on board量測，在接上BIAS-T到頻譜分析儀量測。探討量測與模擬的差異，並找出原因以為將來可以製作出效能更佳之電路。Implementation of passive devices and Voltage Control Oscillator (VCO) are addressed in this thesis. Firstly, the transformer performance including power transform, self-resonance frequency, quality factor, coupling factor and transformer efficiency are studied comprehensively. The planar and stack structures of on-chip transformers are compared in the thesis. Secondly, the 3-dimension transformers with different turns-ratio are designed to improve the coupling factor coefficient. Thirdly, using switch coil numbers of inductor to transform the different inductances. The metal resistance and high frequency characteristics are investigated in the work. The equivalent circuit model of all passive devices are proposed to explain the behavior of the measurement results. Finally, the VCO adopting switched inductor can achieve the dual band 2.4/5.2GHz oscillation operation is implemented by using the TSMC 0.18 um CMOS technology. Moreover, the Foundry 0.13um RFCMOS process is adopted to implement the passive devices. Passive devices are measured on wafer and VCO is measured on board.致謝 i 中文摘要 ii 英文摘要 iii 目錄 iv 圖目錄 vi 表目錄 ix 第一章 導論 1 1.1 前言 1 1.2 文獻回顧 2 1.3 論文架構 3 第二章 低損耗變壓器 4 2.0 研究動機 4 2.1 品質因素的定義 4 2.2 平面型與堆疊型變壓器 5 2.3 平面型變壓器與堆疊型的耦合係數(K) 7 2.4平面型變壓器與堆疊型的Reff 8 2.5 低損耗變壓器之設計 10 2.6 Kevin 直流四點探針量測 16 2.7 低損耗變壓器等效電路 17 2.9 結論 23 第三章 3D對稱型1比n變壓器 24 3.0 研究動機 24 3.1 閘數比與耦合係數K的定義 25 3.2 3D對稱型變壓器與對稱平面型變壓器 27 3.3 總金屬層對閘數比及K值的比較 32 3.4 返回層的不同對閘數比的影響 38 3.5 變壓器內徑對K與n的影響 41 3.6 3D對稱型變壓器等效電路 46 3.7 結論 52 第四章 開關切換電感線圈 53 4.0 研究動機 53 4.1 開關的直流與高頻分析 4.2 切換電感線圈直流與高頻分析 55 57 4.3 切換電感線圈之等效電路 60 4.4 結論 63 第五章 雙頻段2.4/5.2GHz壓控震盪器 64 5.0 研究動機 64 5.1 IEEE 802.11 射頻系統規範 64 5.2a類比回授觀點 66 5.2b高頻負電阻觀點 67 5.3相位雜訊分析 70 5.3a相位雜訊的定義 70 5.4切換高低頻訊號原理 73 5.4a Current Reused 架構 76 5.5 雙頻段2.4/5.2GHz壓控振盪器 78 5.5a架構簡介 78 5.5b設計流程 78 5.5c測試考量 79 5.5d模擬與量測結果 79 5.6結論 81 第六章 總結 82 6.1 結論 82 6.2 未來工作 82 參考文獻 84~8