基于0.18-μm CMOS工艺的10GHz压控振荡器的研究与设计

论文摘要

在RFIC（radio frequency integrated circuits）领域中,CMOS工艺因其高集成度、低成本的特点得到广泛应用,且CMOS VCO （voltage-controlled oscillator）成为当前射频研究的热点。VCO是现代无线通信领域的重要组成部分,在很大程度上决定着整个系统的性能。基于SMIC 0.18-μm CMOS工艺,本文设计了一个全集成RF环形VCO。文中首先简要介绍了VCO的基本特点和发展现状,分析了VCO的振荡原理、典型结构与相噪模型,研究了环形VCO的设计重点;然后在经典的RF环形VCO模型的基础上,重点阐述了一个三级复环路的高速环形VCO,该VCO的延迟单元采用差分结构,通过粗/细调节方式调节电路的频率和功耗;最后,采用Cadence的Spectre-RF仿真工具对RF环形VCO的电路与版图进行了仿真,并对后仿真结果进行详细分析。本文的RF环形VCO芯片采用SMIC 0.18-μm 1P6M CMOS工艺设计,系统电源电压取1.8V,输出振荡频率的调谐范围为7.9688.472GHz,直流功耗是48.5mW;当频率在8.083GHz时,在1MHz频偏处的相位噪声为-88.17dBc/Hz,在10MHz频偏处的相位噪声为-113.1dBc/Hz;芯片面积为132μm×120μm。可应用在雷达通信、无线传输机、频率合成器和时钟恢复电路等无线通信技术中。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 射频集成电路发展历程
• 1.2 压控振荡器简介
• 1.2.1 VCO 的历史
• 1.2.2 VCO 的研究现状
• 1.3 本文的研究内容及章节安排
• 第二章 压控振荡器基本原理
• 2.1 压控振荡器概述
• 2.2 压控振荡器的振荡原理
• 2.3 压控振荡器典型电路
• 2.3.1 LC 振荡器
• 2.3.2 环形振荡器
• 2.4 VCO 的相位噪声
• 2.4.1 相位噪声基本概念
• 2.4.2 相位噪声的来源
• 2.4.3 相位噪声理论模型
• 2.5 小结
• 第三章 环形压控振荡器设计重点
• 3.1 CMOS 射频MOS 晶体管
• 3.1.1 MOS 管结构
• 3.1.2 MOS 管I/V 特性
• 3.1.3 MOS 管交流小信号模型
• 3.1.4 MOS 管噪声模型
• 3.2 单元延迟电路
• 3.2.1 延迟单元的典型结构
• 3.2.2 延迟单元的优化技术
• 3.3 相位噪声
• 3.4 小结
• 第四章 10GHz 环形VCO 电路设计原理
• 4.1 环形VCO 拓扑结构分析
• 4.2 单元延迟电路分析
• 4.2.1 延迟单元结构
• 4.2.2 MOS 管尺寸参数确定
• 4.3 10GHz 环形VCO 相位噪声分析
• 4.4 10GHz 环形VCO 电路仿真结果
• 4.4.1 瞬态分析
• 4.4.2 频率特性分析
• 4.4.3 相位噪声分析
• 4.5 小结
• 第五章 10GHz 环形VCO 版图设计与后仿真
• 5.1 射频集成电路芯片设计技术
• 5.1.1 芯片设计流程
• 5.1.2 集成电路版图布局
• 5.1.3 集成电路版图布线
• 5.2 10GHz 环形VCO 版图设计
• 5.3 10GHz 环形VCO 系统后仿真
• 5.3.1 版图验证
• 5.3.2 10GHz 环形VCO 版图后仿真
• 5.4 小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者在攻读硕士期间主要研究成果