A Low-Phase-Noise Quad-Core Millimeter-Wave Fundamental VCO Using Circular Triple-Coupled Transformer in 65-nm CMOS

压控振荡器 相位噪声 拓扑(电路) 变压器 电感器 电气工程 物理 电子工程 电压 工程类
作者
Haikun Jia,Pingda Guan,Wei Deng,Zhihua Wang,Baoyong Chi
出处
期刊:IEEE Journal of Solid-state Circuits [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:58 (2): 371-385 被引量:5
标识
DOI:10.1109/jssc.2022.3196181
摘要

The minimal achievable phase noise (PN) of millimeter-wave (mm-wave) voltage-controlled oscillators (VCOs) is bounded by the smallest realizable inductor with a reasonable high quality factor ( ${Q}$ ). A multi-core VCO reduces the total equivalent inductance of the tank by synchronizing multiple VCO cores, therefore improving the PN performance. This article presents a 60-GHz fundamental VCO based on a mode-rejection circular triple-coupled-transformer tank, which improves the PN performance of the VCO from three aspects. 1) the circular topology improves ${Q}$ of small inductors in the mm-wave frequency range by alleviating the inner edge deconstructive coupling; 2) compared with the circular inductor topology, the triple-coupled transformer provides the flexibility to suppress the unwanted oscillation mode at the center taps of the gate coils, which enables the NMOS-only VCO configuration to avoid PN degradation due to limited PMOS performance in the mm-wave frequency range; and 3) the triple-coupled transformer boosts the gate-to-source voltage swing of ${G}_{m}$ transistors. The quad-core VCO prototype is designed and fabricated in a 65-nm CMOS process. It achieves a measured PN of –104.7 dBc/Hz at 1-MHz offset and a corresponding figure of merit (FoM) of 186.5 dBc/Hz at 59.1-GHz carrier frequency.

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