高频双带CMOS LC正交压控振荡器设计

论文摘要

压控振荡器（VCO）是一种振荡频率随外加控制电压变化的振荡器,是频率产生源的关键部件。由于现代射频系统特别是无线通信系统的设计,迫于低压、低功耗、小体积、低成本的压力,直接变频接收机（DCR）这一电路结构引起了学界和工业界的关注。正交压控振荡器（QVCO）是直接变频接收机中的关键部件,应用标准CMOS工艺,设计出高工作频率、宽调谐范围、低相位噪声和低功耗的VCO集成电路已成为当前集成电路设计界的热点。本文详细分析了LC交差耦合VCO工作原理,就VCO的相位噪声模型作了深入探讨,并全面阐述了硅基片上电容和电感的优化设计策略。在此基础上,设计了一款新型的高频、双边带、宽调谐范围、低相位噪声和低功耗的正交压控振荡器。本设计基于CMOS工艺,通过对两个相同的LC振荡器进行交差耦合,实现了相位差为90度的精准正交正弦波输出。其频率调节方式不再依赖于变容管,采用电压控制两振荡器之间的耦合系数对振荡频率进行微调,再通过开启和关闭一对MOS电容来实现在两个不同频带间的转换,大大增加了输出频率调节范围,输出幅值也能保持稳定。采用Cadence的Spectre工具对电路进行仿真,当VDD为1.8V时,其输出频率可在1.78GHz～4.03GHz之间变化,调频范围约为77%;其1MHz频偏处的相位噪声为-120dB/Hz（2GHz）和-104dB/Hz（4GHz）,其特性满足了高频、宽带、低相位噪声的设计要求。本文最后采用Cadence公司的Virtuoso Layout Editor工具设计了QVCO的整体版图。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 压控振荡器（VCO）的研究背景和意义
• 1.2 VCO 的发展历史和趋势
• 1.2.1 VCO 的发展历史
• 1.2.2 VCO 的发展趋势
• 1.3 射频电路中的CMOS 工艺
• 1.4 本文研究内容
• 第2章 VCO 工作原理及相位噪声分析
• 2.1 LC 振荡器
• 2.2 VCO 的数学模型
• 2.3 CMOS 交叉耦合压控振荡器
• 2.4 VCO 的相位噪声
• 2.4.1 振荡器噪声分类
• 2.4.2 MOS 晶体管噪声模型
• 2.4.3 振荡器的相位噪声理论
• 2.5 本章小结
• 第3章 硅基集成电感和电容设计
• 3.1 硅基集成电感优化设计
• 3.1.1 片上电感的物理模型
• 3.1.2 片上电感的优化设计
• 3.2 片上电容设计
• 3.3 本章小结
• 第4章 正交压控振荡器电路设计
• 4.1 交差耦合 LC 正交振荡器
• 4.2 QVCO 电路结构
• 4.2.1 LC 回路设计
• 4.2.2 频率调节方式
• 4.2.3 低谐波失真设计
• 4.3 电路仿真及结果
• 4.4 本章小结
• 第5章 版图设计
• 5.1 版图设计规则
• 5.2 电路版图设计
• 5.2.1 MOS 管设计
• 5.2.2 对称性设计
• 5.2.3 电阻设计
• 5.2.4 整体版图
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A（攻读学位期间所发表的学术论文目录）
• 致谢