数字电视调谐器中压控振荡器的设计

论文摘要

压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator，简称VCO）是锁相环（PLL）频率合成器的重要组成单元，它在很大程度上决定了PLL的性能。在多种射频工艺（GaAs、SiGe、Bipolar、CMOS）中，CMOS工艺以其高的集成度，低廉的成本逐渐得到广泛的应用，因此CMOS VCO也成为当前射频研究领域的热点。宽范围调谐VCO模块是单次变频结构的数字电视调谐器专用芯片中的一个重要模块。由于该芯片要把电视输入信号（48MHz～860MHz）下变频到中频（36MHz），所以本课题设计的VCO模块必须具有宽带，高性能等特点。由于采用数字信号控制的自动幅值控制（AAC）环路，因而是一个典型的数模混合集成电路。论文首先简单介绍了片上VCO设计国内外的发展状况，并提出了论文的设计目标，具体目标是实现一个输出频率范围为435．25MHz～899．25MHz，相位噪声为-85dB／Hz@10kHz的UHF频段CMOS压控振荡器。然后论文对VCO的基本理论，尤其是LC VCO的理论做了详细的总结，包括振荡器工作原理、VCO的振幅、VCO性能指标、VCO常用结构、变容管的相关理论等。着重介绍和分析了VCO的相位噪声理论，对流行的相位噪声的优化方法作了分析和总结。论文重点阐述了本课题的宽调谐范围的VCO的数模混合电路的实现方案，在方案中，使用片外LC谐振槽路实现宽范围频率覆盖和高Q值，并对片外LC槽路做了详细的建模。利用带尾电流控制的互补交叉耦合结构设计了VCO的核心，并利用数模混合电路实现了自动幅值控制，设计了VCO buffer。在使用Eldo-RF对电路设计分析完成之后，用IC-Station软件实现了电路的版图设计，并对版图设计中的一些要点进行了说明，譬如版图的对称性，寄生效应等。仿真结果表明，VCO的幅值，调谐范围，相位噪声等性能均达到了设计要求，且具有低功耗，整个频率范围振幅稳定等特点。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 课题的背景
• 1.1.1 课题的提出
• 1.1.2 国内外压控振荡器的发展
• 1.2 论文的内容
• 1.3 论文的结构
• 第二章 压控振荡器的基本理论
• 2.1 压控振荡器的原理
• 2.1.1 平衡条件
• 2.1.2 起振条件
• 2.1.3 稳定条件
• 2.2 常见振荡器
• 2.2.1 环形振荡器
• 2.2.2 LC振荡器
• 2.3 交叉耦合振荡器的振荡机制
• 2.3.1 交叉耦合振荡器的起振条件
• 2.3.2 耦合振荡器的稳定及其振幅
• 2.4 LC压控振荡器的调谐原理
• 2.5 压控振荡器的性能指标
• 2.5.1 理想压控振荡器
• 2.5.2 压控振荡器的指标
• 第三章 VCO的相位噪声
• 3.1 频率不稳定和相位噪声
• 3.1.1 频率不稳定现象
• 3.1.2 相位噪声的量化描述
• 3.2 交叉耦合振荡器中的噪声来源
• 3.2.1 交叉耦合振荡器中各器件的噪声
• 3.2.2 相位噪声理论
• 3.3 相位噪声优化方法
• 3.3.1 交叉耦合管
• 3.3.2 尾电流源
• 3.3.3 LC谐振槽路的考虑
• 第四章 压控振荡器的设计
• 4.1 振荡器的总体结构规划
• 4.2 片外LC-tank
• 4.3 压控振荡器核心的设计
• 4.3.1 拓扑结构的选择
• 4.3.2 交叉耦合振荡器核心的设计
• 4.4 自动幅值控制电路
• 4.4.1 自动振幅控制电路的实现方式
• 4.4.2 振幅检测器的实现
• 4.4.3 比较器的实现
• 4.4.5 数字逻辑控制电路的实现
• 4.4.6 四位数字控制电流偏置
• 4.5 VCO buffer
• 4.6 整个系统的性能
• 4.7 版图
• 第五章 小结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 研究生阶段发表的论文