宽频带低功耗CMOS压控振荡器设计

论文摘要

压控振荡器作为频率产生源是大多数电子系统必不可少的组成部分,也是无线通信系统中锁相环电路的核心。兼具低功耗特性与宽调频范围的压控振荡器是很具设计挑战性和实用性的模拟电路模块之一。本文研究了利用90纳米CMOS逻辑工艺设计振荡频率从500MHz-2GHz的压控振荡器的两种方案,并进行了对比。设计的主要思想是采用电流调节（Current steering）的方法,即利用MOS晶体管的跨导,将压控振荡器的输入控制电压由电压量转换成适合大小的电流,作为环形振荡电路的偏置。这种方法能够在低工作电压下提供宽广的频率调节范围,而且整个电路的功耗较低。具体采用了两种电路形式来实现:第一种是比较常见的电流饥饿反相器环型振荡器,另一种是电流模环型振荡器。电流饥饿反相器型压控振荡器电路简单,物理版图面积小,频率调节范围很宽。但它对电源电压的敏感度很高,抖动与相位噪声性能稍差。而电流模环型压控振荡器则具有较优的电源电压噪声抑制特性,调节线性度较好,而且功耗和频带调节宽度也可以满足一定的要求。本文的主要工作包括:研究超深亚微米工艺下低电源电压工作时压控振荡器的电路设计与优化。通过对偏置电路结构的优化以及器件参数的选择来调节压控振荡器的增益,改善压控振荡器的调节线性度。通过仿真,给出两种结构压控振荡器性能（调频、线性度、噪声、功耗）对比结果。两种结构的压控振荡器都进行了物理版图设计,进行了后仿真验证。其中,基于SMIC 90nm工艺对电流饥饿反相器环型压控振荡器进行了工艺流片和测试,给出了测试方案和测试结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2.V CO设计研究背景和现状
• 1.2.1 VCO的应用
• 1.2.2.VCO的研究现状
• 1.3 研究内容
• 1.4 论文结构安排
• 第二章 压控振荡器工作原理与结构
• 2.1 压控振荡器的原理
• 2.1.1 振荡电路
• 2.1.2.V CO 电压频控制
• 2.1.3.V CO的主要性能参数
• 2.2.V CO几种主要结构
• 2.2.1.L C压控振荡器
• 2.2.2 反相器型环振荡器
• 2.2.3 电流模压控振荡器
• 2.2.4 差分型压控振荡器
• 2.3 信号抖动与相位噪声分析
• 2.3.1 抖动
• 2.3.2 相位噪声
• 2.4 本章小结
• 第三章 低功耗宽频带VCO设计与验证
• 3.1 电流饥饿反相器环型VCO电路结构及设计
• 3.1.1 整体结构
• 3.1.2 环形振荡器尺寸的确定
• 3.2 电流模环型VCO电路结构及参数设计
• 3.2.1 整体结构
• 3.2.2 偏置电路（Bias Circuit）
• 3.2.3.C SA环型振荡电路
• 3.2.4 原理图仿真
• 3.3 两种VCO的性能仿真结果对比
• 3.3.1 调频特性对比
• 3.3.2 功耗特性对比
• 3.3.3 调节线性度对比
• 3.3.4 电源电压敏感度对比
• 3.3.5 小结
• 3.4 物理版图设计
• 3.5 流片及验证
• 第四章 总结与展望
• 4.1 总结
• 4.2 展望
• 参考文献
• 致谢