LCVCO设计-Current-biased和Voltage-biased结构比较
Current-biased和Voltage-biased结构比较
Voltage-biased结构的Q值衰退
Voltage-biased结构VCO工作时，一边MOS管进入线性区，瞬态阻抗Ron小于Rp，降低LC tank的Q值
仿真tb：电流相同，谐振频率相同，分别采用Current-biased和Voltage-biased结构
工作波形：
Voltage-biased结构，一个管子处于线性区，另一个处于亚阈值区，Ron小于Rp，Q值降低；
Current-biased结构，一个管子处于线性区，另一个处于亚阈值区，Ron远大于Rp，Q值保持不变；
具体表现为，相同bias电流和VCO谐振频率下，Voltage-biased结构的相噪更差
Current-biased结构的高频寄生
Current-biased结构的尾电流管需要保证较大的尺寸，来减少对VCO输出电压摆幅的限制。当VCO工作频率较高时，尾电流管的drain端到gnd的寄生电容会降低差分对管的source端共模阻抗，寄生电容大到一定程度时，Current-biased结构近似于Voltage-biased结构，tank Q值出现衰退。理想电流源并联理想电容，相噪、效率、FOM和谐振频率随理想电容容值变化曲线如下所示：
随着尾电流源并联电容增大，VCO效率约下降30%，相噪最大恶化3.8dB，FOM最大恶化3.8dB，当电容超过1pF后，源端共模阻抗基本为0，Current-biased结构近似于Voltage-biased结构。
Current-biased结构理想电流源替换为MOS管后，MOS管尺寸取值需要一个平衡点：（1）大尺寸MOS管电流源偏置的共模阻抗更低，对于共模干扰抑制更差，且MOS管的电流热噪声也会更大；（2）小尺寸MOS管电流源偏置的共模阻抗较高，对于共模干扰抑制更好，但是会额外占据电压裕度，减小VCO输出摆幅上限，同样会恶化VCO相噪。
大尺寸MOS管电流源偏置的共模阻抗更低的问题可以通过尾部LC二次谐波滤波结构解决：
存在最优尾部LC tank，实现高共模阻抗，增大VCO输出摆幅，改善相噪。最优点近似于理想电流源的相噪。
Class C结构VCO则能避免尾部寄生电容的影响，并利用寄生电容产生虚地点。其主要原理及好处是：
（1）额外的栅极偏置使差分管一直处于饱和区，避免了进入线性区导致的Q值衰退，尾电流管噪声流向虚地点；
（2）减少差分管导通角，电流作为脉冲信号注入，减少共模噪声注入时间；
（3）相比于Class B类VCO，Class C类VCO拥有更好的效率和FOM，栅极偏置VGS接近Vth，适用于低功耗设计；
电源噪声对两种bias结构的影响
由于AM-FM调制，VCO输出端的噪声功率谱密度为：
其中dC/dA等效于变容管的Kvco，VCO输出端的相噪为
近端的低频噪声调制到VCO输出。保证变容管两端压差不变，有利于抑制电源闪烁噪声调制到VCO输出。
仿真tb：电源模拟近端噪声，Current-biased采用理想电流源
相同变容管和Vctrl电压、VDD电源，Current-biased的非线性电容比Voltage-biased的非线性电容更少，因此Current-biased的Kvco比Voltage-biased的Kvco更小：
相比于没有电源噪声的VCO相噪，Current-biased结构对电源噪声抑制更好：
结论
由1,2,3分析可得：
（1）在频率不高时Current-biased结构具有一定优势，能够抑制VCO的Q值衰退，同时增大源端共模阻抗，抑制共模干扰；
（2）但是当VCO工作频率较高，Current-biased结构的大尺寸尾电流管的并联寄生电容引入额外的低阻通路，出现Q值衰退，共模阻抗下降，近似于Voltage-biased结构，同时会额外引入MOS噪声；
（3）虽然可以通过尾电流管串联电感实现共模信号的高阻通路，增大尾电流管尺寸，减少尾管电压裕度，同时抑制大尺寸带来的共模噪声；但是带有二次谐波抑制的Voltage-biased结构VCO同样可以实现共模噪声抑制，且不会额外引入MOS管噪声。Current-biased结构还是更适合于时钟占空比要求严格的情况下，或是需要源端大寄生电容的Class C VCO结构中。
参考文献
[1] Radio Frequency Integrated Circuits and Systems, Hooman Darabi.
