一种基于环形振荡器理论、工作在22纳米FDSOI工艺下的240-/255 GHz高效基本差分振荡器

《IEEE Journal of Solid-State Circuits》：A 240-/255-GHz High-Efficiency Fundamental Differential Oscillator Based on Ring Oscillator Theory in 22-nm FDSOI

　　

本文提出了一种环形振荡器的合成方法，该方法直接利用晶体管的大信号电压/电流（V/I）特性以及每个阶段所需的相位偏移来计算嵌入式无源网络（EPN）的元件值。据此，概述了一种EPN合成流程，以便为具有不同阶段数量和EPN类型的候选振荡器结构进行参数初始化。在比较了各种候选振荡器结构后，选择了一种两阶段的Π型EPN差分结构，因为这种结构具有灵活的栅极和漏极偏置、易于供电和接地以及紧凑的尺寸等优点。为了最大化振荡器的直流到射频（dc-to-RF）效率，引入了一种以负载效率为导向的优化程序，该程序考虑了晶体管的大信号特性以及EPN和匹配网络（MN）中的损耗。作为概念验证，使用22纳米FDSOI工艺制造了两个差分基本振荡器，其核心尺寸仅为0.003平方毫米。240 GHz振荡器的最大直流到射频效率达到了5.4%，输出功率为0.626毫瓦，1 MHz偏移时的相位噪声为-94.22 dBc/Hz；255 GHz振荡器的最大效率为5.72%，1 MHz偏移时的相位噪声为-91.35 dBc/Hz。据我们所知，这两种振荡器在200 GHz以上的振荡器中实现了最高的性能与面积比（FoM）和性能与功耗比（FoMA）。

太赫兹（THz）技术被认为是实现6G通信超快吞吐量最有力的途径之一。作为全集成THz收发器的关键组成部分，差分THz振荡器的设计对于提高抗噪性能等至关重要。然而，在典型的CMOS工艺中，低有源增益和较大的无源损耗给实现高效率和高输出功率的THz振荡器带来了重大挑战，因此选择合适的电路拓扑结构并制定全面的优化策略变得非常关键。