1.8GHz低噪声、宽带LC压控振荡器

论文摘要

锁相环频率综合器是大多数电子系统必不可少的组成部分,更是无线通信系统的核心。压控振荡器（VCO,Voltage Controlled Oscillator）是锁相环的关键部件。随着无线通讯技术的发展,VCO已广泛应用于射频集成电路（RFIC,Radio Frequency Integrated Circuit）中。在当今RFIC向小尺寸、高频率、低功耗、低成本发展的趋势下,采用CMOS工艺设计、生产高性能的集成VCO,已经是RFIC中的一个极具挑战性的重要课题。GHz波段VCO实现的方式有环形振荡器、电感电容（LC）振荡器两类。鉴于LC VCO在相位噪声性能方面的优势,本文即在分析VCO工作原理的基础上,设计一种基于CMOS RF工艺的高性能LC VCO。对线性时不变模型、非线性时不变模型和线性相位时变模型进行分析和总结的基础上,讨论电感电容压控振荡器的内在振荡机制,根据所分析的相位噪声模型,得到不同区域的相位噪声公式,总结了压控振荡器设计和优化的一般步骤。分析了片上螺旋电感模型和可变电容的实现方法,采用ASITIC软件对电感进行优化。讨论了几种相位噪声降低技术,并采用Cadence软件进行验证。设计中主要考虑相位噪声和调谐宽度等指标,通过采用开关电容阵列和电感电容滤波技术以及合理调整电路结构和元器件参数,使相位噪声和调谐宽度均达到了较高的性能指标。采用TSMC 0.18μm工艺库,通过Cadence Spectre RF工具仿真表明,在1.8V工作电压下,本文设计的VCO的输出振荡频率范围为1.55 GHz～2.08GHz,中心频率约为1.8 GHz,调谐范围达到29.4%,在偏离中心频率10 kHz处的相位噪声为-76.2 dBc/Hz,且其功耗仅为4～6mw。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及目的
• 1.2 课题研究的国内外发展状况
• 1.3 课题研究任务和设计方法
• 1.4 论文主要内容和结构
• 第2章 振荡器的结构及其工作原理
• 2.1 振荡器的工作原理
• 2.1.1 双端负反馈系统分析方法
• 2.1.2 单端能量补偿系统分析方法
• 2.2 压控振荡器
• 2.2.1 VCO 的数学模型
• 2.2.2 环形压控振荡器
• 2.2.3 电感电容压控振荡器
• 2.3 LC 压控振荡器的工作原理及相关分析
• 2.3.1 交叉耦合 LC 负阻振荡器工作原理
• 2.3.2 电感电容 VCO 的调谐原理
• 2.3.3 VCO 的相位噪声及其分析模型
• 2.3.4 VCO 的调谐范围及其扩展方法
• 2.3.5 VCO 的功耗
• 2.3.6 VCO 的其它性能指标
• 2.3.7 互补交叉耦合LC VCO 小信号等效电路模型分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 片上电感和片上电容的优化设计
• 3.1 硅基集成电感的模型
• 3.1.1 电感值计算方法
• 3.1.2 电感模型
• 3.2 集成电感的优化设计
• 3.2.1 硅基集成电感的设计和优化原则
• 3.2.2 放射状接地隔离层
• 3.2.3 中空电感设计
• 3.2.4 叠层电感设计
• 3.2.5 片上电感设计理论
• 3.3 片上变容管设计理论
• 3.3.1 PN 结变容管
• 3.3.2 MOS 变容管
• 3.4 本章小结
• 第4章 低噪声宽调谐VCO 电路设计及仿真
• 4.1 LC VCO 的相位噪声的优化分析
• 4.1.1 1/f2 区域噪声
• 4.1.2 1/f3 区域噪声
• 4.1.3 LC VCO 有源负阻网络的设计与噪声分析
• 4.1.4 LC VCO 工作区域分析及谐振电感的选择
• 4.1.5 LC VCO 偏置电流源及电感电容滤波网络设计
• 4.2 基于开关电容调谐的宽带LC VCO 设计
• 4.2.1 开关调谐原理
• 4.2.2 开关管设计
• 4.2.3 开关调谐振荡回路的分析
• 4.2.4 开关调谐对VCO 其他性能的影响分析
• 4.3 低噪声宽调谐 LC VCO 总体设计方案
• 4.4 低噪声宽调谐 LC VCO 电路设计
• 4.5 电路性能仿真验证
• 4.6 本章小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢