芯耀
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VCO，是一個(gè)頻率隨電壓變化的部件，而變?nèi)莨軇t是產(chǎn)生該頻率變化的核心。在VCO的各項(xiàng)性能中，有兩個(gè)性能，分別為頻率的調(diào)諧范圍和輸出信號(hào)的相噪。這兩項(xiàng)性能，則對(duì)應(yīng)變?nèi)莨艿膬蓚€(gè)特性：(1) 電容的調(diào)諧范圍，即變?nèi)莨苣芴峁┑淖畲箅娙莺妥钚‰娙荩?2)變?nèi)莨艿钠焚|(zhì)因數(shù)(qulity factor)，這個(gè)通常受變?nèi)莨艿募纳?jí)聯(lián)電阻限制。這兩個(gè)參數(shù)，在某些情況下，是一個(gè)矛盾的關(guān)系。
在以前的RFIC設(shè)計(jì)中，變?nèi)莨苁怯梅雌?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/519199.html">PN結(jié)實(shí)現(xiàn)。但在現(xiàn)在RFIC設(shè)計(jì)中，MOS變?nèi)莨芤呀?jīng)取代了PN結(jié)，成為主流。
常規(guī)的MOSFET在將D極和S極連接時(shí)，Cgs與Vgs的關(guān)系如下圖所示，Cgs會(huì)隨著Vgs變化，但是變化曲線呈現(xiàn)非線性。這個(gè)非線性，會(huì)產(chǎn)生這樣一個(gè)結(jié)果。比如說，你設(shè)計(jì)了一個(gè)VCO，當(dāng)你緩慢升高電壓時(shí)，它的輸出頻率也相應(yīng)地從1G變到2G。但是由于這個(gè)非線性的存在，當(dāng)你緩慢升高電壓時(shí)，剛開始頻率是1G變化到1.5G；然后你在緩慢升高電壓，發(fā)現(xiàn)頻率又緩慢變回去了。當(dāng)然，也不是完全不能用，但是總覺得心里有那么點(diǎn)不舒服。
而且，這種非線性的頻率調(diào)諧特性，在鎖相環(huán)設(shè)計(jì)中是個(gè)問題，會(huì)使得鎖相環(huán)失鎖。
那怎么辦？解決辦法，就是對(duì)MOS管做一個(gè)小小的調(diào)整，具體方法，就是把NMOS管放在一個(gè)N阱中，這種MOS管，稱為“累積型MOS變?nèi)荻O管(Accumulation-mode MOS varacotr)”。
當(dāng)VG<VS時(shí)，N阱中的電子從硅/氧化物的交接面被排斥出來，使得交接面處形成耗盡區(qū)。所謂耗盡區(qū)，就是其區(qū)域不存在自由移動(dòng)的載流子，產(chǎn)生類似電容的特性。因此，此時(shí)的等效效電容為柵氧電容和耗盡電容的串聯(lián)。當(dāng)VG>VS時(shí)，硅/氧化物的交接面從n+的源極和漏極吸收電子，形成一個(gè)通道。此時(shí)，等效電容為柵氧電容。
在65nm器件中， VGS ≈ ±0.5 V時(shí)，接近其飽和水平的Cmax和Cmin。MOS變?nèi)荻O管可以在低供電電壓下工作，而且，為了使得MOS管提供最大的調(diào)諧特性，MOS管需要正負(fù)偏置。
電路仿真，需要在一定程度上能夠模擬變?nèi)莨艿腃/V特性曲線。在實(shí)際中，這種特性是對(duì)加工器件進(jìn)行測(cè)量，然后以由一系列的離散值組成的表格來表征。然后，再用一個(gè)連續(xù)函數(shù)來對(duì)C/V曲線進(jìn)行擬合。雙曲正切能夠很好地模擬其飽和特性，具有連續(xù)導(dǎo)數(shù)，因此可以用來擬合C/V曲線。
其中a和V0分別允許擬合截點(diǎn)和斜率，而Cmin和Cmax則包含柵漏和柵源的重疊電容。
什么是重疊電容呢(overlap capacitance)?
如上圖所示，MOS管有三種主要電容：
一種是柵極和溝道之間的電容，稱為柵氧電容，值為WLCox;
一種為源極和襯底，漏極和襯底之間的PN結(jié)電容；
一種為重疊電容(overlap capacitance)。
在加工過程中，會(huì)使得柵極和漏極，柵極和源極在結(jié)構(gòu)上部分重疊；另外柵極邊緣與源極/漏極區(qū)域頂部之間的邊緣場(chǎng)線，這兩者構(gòu)成了重疊電容。
上述C/V模型，也可轉(zhuǎn)換成Q/V模型，即電荷隨電壓變化的曲線。
由dQ=C(V)/dV可知，
MOS變?nèi)莨艿腝值，由柵極和漏極之間的電阻決定，如下圖所示。
MOS變?nèi)莨艿腝值又是如何變化的呢？當(dāng)變?nèi)莨艿娜葜禐镃min時(shí)，其容值低，電阻又比較大；而當(dāng)變?nèi)莨艿娜葜禐镃max時(shí)，其容值大，而電阻又比較低。由Q=1/(RCw)可知，Q如果按照上述規(guī)律變化的話，可能能夠保持不變。實(shí)際上，當(dāng)Cgs從Cmin變化到Cmax時(shí)，Q值也是下降的。這表明，當(dāng)Cgs從Cmin變大到Cmax時(shí)，R也會(huì)從Rmax變化Rmin，但是顯然C的變化量要大于R的變化量。
在振蕩器設(shè)計(jì)中，希望最大化變?nèi)莨艿腝值。當(dāng)溝道長度最短的時(shí)候，變?nèi)莨艿腝值最大；但是，此時(shí)柵源和柵漏之間的重疊電容在總電容中所占比值增大，從而限制了電容的調(diào)諧范圍。重疊電容(overlap capacitance)基本上不太隨電壓變化，它的存在，會(huì)使得變?nèi)莨艿奶卣髑€上移，即從Cmin+2WCov變化到Cmax+2WCov。當(dāng)溝道長度最短的時(shí)候，2WCov甚至?xí)菴min還大。因此會(huì)降低電容的調(diào)諧范圍。
具體用數(shù)字來表征一下：假設(shè), Cmax=0.85fF,Cmin=0.18fF,此時(shí)R=Cmax/Cmin=4.72;如果考慮重疊電容，假設(shè)其值為0.18fF,則Cmax=0.18fF+0.85fF=1.03fF,Cmin=0.18fF+0.18fF=0.36fF,此時(shí)R=Cmax/Cmin=2.86。調(diào)諧范圍下降。
因此，溝道長度短，變?nèi)莨躋值大，但是電容的調(diào)諧范圍相對(duì)較小。變?nèi)莨躋值和調(diào)諧范圍之間的矛盾，反應(yīng)到VCO的性能上，就是頻率調(diào)諧范圍和相噪的矛盾。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，需要折中取舍。
