**1 **Traditional Class-B and Class-C VCO

圖1給出了傳統(tǒng)Class-B和Class-C結(jié)構(gòu)的LCVCO。其中Class-B是最簡(jiǎn)單、最常見(jiàn)，也是最常用的結(jié)構(gòu)，但其噪聲性能和FoM并不是最優(yōu)的。當(dāng)輸出擺幅到達(dá)VDD時(shí)，Class-B結(jié)構(gòu)功耗和噪聲達(dá)到最優(yōu) 。

Class-B結(jié)構(gòu)在一個(gè)振蕩周期內(nèi)會(huì)使M1或M 2 ，周期性的進(jìn)入線(xiàn)性區(qū)，輸出節(jié)點(diǎn)到地會(huì)存在一個(gè)低阻通路（圖1（a）藍(lán)線(xiàn)），從而降低諧振腔的Q值。

當(dāng)M1或M2進(jìn)入線(xiàn)性區(qū)后通過(guò)增大信號(hào)擺幅對(duì)相噪提升不大反而會(huì)降低了FoM。圖1中大電容CT用于濾除MT管噪聲，缺點(diǎn)是增加了輸出到地的低阻通路，降低了Q值。

在M1和M2源端與MT漏端串聯(lián)電感LT并讓LT與CT工作在2ω 0 （ω0為L(zhǎng)CVCO振蕩頻率），提高了M1和M2源端阻抗，同時(shí)抑制了尾電流管MT噪聲上變頻到振蕩器的相位噪聲，但這種方式開(kāi)銷(xiāo)很大，并不實(shí)用。

Fig1. Oscillator schematic: (a) traditional class-B; (b) class-C.

圖1（b）Class-C結(jié)構(gòu)通過(guò)對(duì)M1和M2柵端設(shè)置合理的偏置電壓，可避免M1和M2進(jìn)入線(xiàn)性區(qū)，從而保證諧振腔在整個(gè)振蕩周期內(nèi)都有較高的Q值。但這種結(jié)構(gòu)的輸出擺幅只有V DD /2左右，限制了其噪聲性能。

**2 **Class-F Oscillator

2.1 Special ISF

假設(shè)VCO輸出波形為方波（一般為正弦波），原理圖及ISF波形如圖2所示。方波（相對(duì)正弦波）使一個(gè)周期內(nèi)M1和M2工作在線(xiàn)性區(qū)的時(shí)間變長(zhǎng)，注入噪聲的時(shí)間也變長(zhǎng)，但這段時(shí)間內(nèi)ISF的導(dǎo)數(shù)為0（圖2（b）灰色陰影部分），注入的噪聲并不改變相位。

Fig2. Oscillator: (a) noise sources; (b) targeted oscillation voltage (top) and its expected ISF (bottom).

2.2 How Can a Square-wave Be Realized

2.1節(jié)可得出，方波信號(hào)對(duì)相位噪聲是有好處的，那么問(wèn)題是我們?nèi)绾螌?shí)現(xiàn)方波呢？通常很難得到完整的方波（無(wú)數(shù)正弦波疊加），但我們可以用一次基波和三次諧波（或更多諧波）來(lái)合成偽方波信號(hào)。

圖3給出了傳統(tǒng)正弦波產(chǎn)生過(guò)程，其中漏電流接近方波且包含ω 1 ，2ω 1 ，3ω1等多次諧波，經(jīng)諧振腔的選頻（諧振在ω1處）生成單一頻率的正弦波。

Fig3. Traditional oscillator waveforms in time and frequency domains.

同理，我們將諧振腔諧振在ω1和3ω 1 ，輸出電壓波形就包含ω1和3ω1的頻率成份，這樣就得到了偽方波信號(hào)，過(guò)程如圖4所示。

Fig4.Pseudo-square oscillator waveforms in time and frequency domains.

圖4輸出電壓波形表達(dá)式為：V in =Vp1sin(ω0t)+ Vp3sin(3ω0 t+ΔΦ)

ξ為0、0.15、0.3（ξ=V p3 /V p1 ）時(shí)輸出電壓波形如圖5所示，ξ從0~0.3變化時(shí)轉(zhuǎn)換斜率不斷增加，有利于提高相噪。輸出波形在高/低電平附近時(shí)，ξ為0.15或0.3時(shí)的ISF≈0。

Fig5. The effect of adding 3rd harmonic in the oscillation waveform (top) and its expectedISF (bottom).

2.3 How Can a Class-F VCO Be Realized

① Class-F諧振腔的具體實(shí)現(xiàn)方式文獻(xiàn)[1]中已經(jīng)描述的很清楚，限于篇幅這里不再詳細(xì)介紹，有興趣的可以仔細(xì)閱讀。

② 圖6為澳門(mén)大學(xué)Guo Hao提出的Class-F234 VCO，通過(guò)2, 3, 4諧波合成方波 。該結(jié)構(gòu)在2019年ISSCC會(huì)議上再次被澳門(mén)大學(xué)Yang Zun Song引用。

Fig6. Class-F234 VCO

③ 圖7是之前在Transformer based VCO一講中提到的一種諧波產(chǎn)生方式，可參考其設(shè)計(jì)思路。

Fig7. (a) Z11 and (b) Z00 of a lossy transformer for different C 0 /C 1 .