0.18μm CMOS压控振荡器研究与设计

论文摘要

第一代模拟蜂窝移动通信系统诞生以来的短短几十年间,移动通信技术得到了飞速发展,人类已经实现随时随地通信的梦想。特别是随着近几年来无线通信系统的迅猛发展,射频（RF）电路的研究引起了广泛的重视,而低成本、低功耗CMOS射频集成电路的研究与开发更是成为现代电子设计领域的热点。作为无线通信系统的核心模块之一,压控振荡器（VCO）不仅可以提供稳定的本振信号,还可以倍频产生整个电路所需的时钟信号。它的相位噪声、调节范围、功耗对无线通信系统的性能有很大影响,因而如何设计一个高性能的压控振荡器已经成为模拟集成电路设计的一个重要课题。本文根据湖南省自然科学基金资助项目——高性能CMOS电荷泵锁相环研究与设计的项目要求设计了两个工作于不同频段的压控振荡器。论文首先简单介绍了压控振荡器的发展历史和研究现状,分析了振荡器的基本工作原理,然后系统而深入地分析了目前主要的三种相位噪声模型以及环形振荡器和电感电容振荡器的工作原理。针对环形压控振荡器和电感电容压控振荡器的不同特点采取了一系列的措施来优化电路性能,并基于TSMC 0.18μm RF CMOS工艺给出了电路实施方案及仿真结果和版图。1、环形压控振荡器：主要是优化控制电路、设计了一种新型的延迟单元电路以及大电容滤波措施来改善电路性能,最终实现的环形压控振荡器在1.8V工作电压下,中心频率为357MHz,调谐范围为74.5%,相位噪声为-79.4dBc/Hz@10kHz和-99.6dBc/Hz@100kHz,静态功耗为9mW。2、电感电容压控振荡器：在分析了片上电感和可变电容的实现方法和优化措施后,采用大电容滤波技术、二次谐波降噪技术以及感性压控端技术等一系列措施来优化电路性能,最终实现的电感电容压控振荡的中心频率为2.005GHz,调谐范围为17.5%,相位噪声为-90.5dBc/Hz@10kHz和一112.3dBc/Hz@100kHz,静态功耗为5.4mW。后仿真结果表明,本文设计的压控振荡器均达到了设计要求,具有很好的实用性和可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究目标
• 1.3 压控振荡器的历史
• 1.4 压控振荡器的发展现状及趋势
• 1.4.1 环形压控振荡器
• 1.4.2 电感电容压控振荡器
• 1.5 论文的内容和结构
• 1.6 本章小结
• 第2章 振荡器原理与分类
• 2.1 振荡器工作原理概述
• 2.1.1 双端负反馈系统分析法
• 2.1.2 单端能量补偿系统分析法
• 2.1.3 压控振荡器的数学模型
• 2.1.4 压控振荡器的性能指标
• 2.2 相位噪声分析
• 2.2.1 振荡器噪声分类
• 2.2.2 相位噪声定义
• 2.2.3 相位噪声模型分析
• 2.3 环形振荡器
• 2.3.1 振荡分析
• 2.3.2 大信号分析
• 2.3.3 延迟单元电路
• 2.3.4 频率调谐
• 2.4 电感电容振荡器
• 2.4.1 反馈型LC振荡器
• 2.4.2 负阻型LC振荡器
• 2.4.3 频率调谐
• 2.5 本章小结
• 第3章 可变电容和片上电感优化设计
• 3.1 可变电容选取
• 3.1.1 PN结变容管
• 3.1.2 MOS变容管
• 3.2 片上电感优化设计
• 3.2.1 片上电感模型
• 3.2.2 片上电感的品质因数
• 3.2.3 片上电感的优化设计
• 3.3 本章小结
• 第4章 压控振荡器电路优化设计
• 4.1 总体优化设计策略
• 4.2 环形压控振荡器电路优化设计
• 4.2.1 环形压控振荡器优化设计
• 4.2.2 环形压控振荡器电路设计
• 4.3 电感电容压控振荡器电路优化设计
• 4.3.1 低功耗设计
• 4.3.2 电路结构选取
• 4.3.3 大电容滤波技术
• 4.3.4 二次谐波滤波技术
• 4.3.5 感性压控端降噪技术
• 4.3.6 整体电感电容压控振荡器电路
• 4.4 本章小结
• 第5章 版图设计及后仿真结果
• 5.1 版图设计要点
• 5.2 环形压控振荡器版图与后仿真结果
• 5.2.1 设计要求
• 5.2.2 版图设计
• 5.2.3 后仿真结果及分析
• 5.3 电感电容压控振荡器设计与仿真
• 5.3.1 设计目标
• 5.3.2 版图设计
• 5.3.3 后仿真结果及分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A （攻读学位期间所发表的学术论文）