L波段LC压控振荡器和高速二分频电路的研究与设计

论文摘要

本振模块作为射频前端接收系统的重要组成模块，对系统的性能有着重要影响。为了能更好的抑制镜像信号，提高射频前端系统的接收性能，要求本振模块能够提供性能良好的全差分正交信号。本论文采用了TSMC0.18μm RF CMOS工艺设计了一个互补型LC压控振荡器和高速二分频电路，用以产生性能良好的正交信号。本文首先介绍了压控振荡器的工作原理，讲述了组成压控振荡器的关键元器件及其基本特性，在对比了几种压控振荡器的结构之后，结合本设计中的要求采用了互补型LC压控振荡器。其次分析了振荡器的相位噪声，介绍了分析相位噪声的几种常用模型，并给出了一些降低相位噪声的措施，为设计高性能的LC压控振荡器提供理论上的支持。接着给出了LC压控振荡器的具体实现方法，对电感、电容元件在实际设计中如何选取给出了参考意见，并给出了模拟调谐电容阵列和数字开关电容阵列的结构。为了更好的抑制镜像信号，系统要求本振模块须提供全差分正交信号，在对比了几种正交信号的产生方法后，本论文选择了占用芯片面积小、性能稳定的二分频电路产生正交信号，并给出了二分频电路的设计步骤，其频率调谐范围完全覆盖了要求的频点，本振信号的相位噪声流片测试结果达到了-98.53dBc/Hz@100kHz，-121.84dBc/Hz@1MHz。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 发展状况
• 1.3 论文内容和贡献
• 1.4 论文组织
• 第二章 压控振荡器设计原理
• 2.1 振荡器基本原理
• 2.1.1 振荡条件
• 2.1.2 振荡器基本形式
• 2.1.2.1 LC 负阻振荡器
• 2.1.2.2 环形振荡器
• 2.2 压控振荡器数学模型
• 2.3 压控振荡器性能参数
• 2.4 片上无源器件
• 2.4.1 集成电感特性分析
• 2.4.1.1 片上集成电感
• 2.4.1.2 集成电感模型
• 2.4.1.3 高品质因子电感设计原则
• 2.4.2 可变电容性能分析
• 2.4.2.1 可变电容基本特性
• 2.4.2.2 MOS 变容管
• 2.5 压控振荡器相位噪声分析
• 2.5.1 相位噪声概述
• 2.5.2 相位噪声模型
• 2.5.3 相位噪声改善措施
• 2.6 小结
• 第三章 LC 压控振荡器的设计
• 3.1 LC 压控振荡器结构选取
• 3.2 偏置电流源的设计
• 3.3 振荡器中元器件的选取
• 3.3.1 电感的选取
• 3.3.2 电容的选取
• 3.3.3 开关电容阵列
• 3.3.4 负阻管的选取
• 3.4 压控振荡器设计结果
• 3.4.1 前仿真结果
• 3.4.2 版图设计
• 3.4.3 后仿真结果
• 3.5 小结
• 第四章 高速正交二分频电路设计
• 4.1 正交信号产生方法
• 4.1.1 正交压控振荡器
• 4.1.2 RC-CR 网络
• 4.1.3 采用混频器产生正交信号
• 4.1.4 采用二分频器产生正交信号
• 4.2 二分频电路的设计
• 4.2.1 二分频电路结构
• 4.2.2 二分频电路设计
• 4.2.3 缓冲器电路设计
• 4.3 二分频器设计结果
• 4.3.1 前仿真结果
• 4.3.2 二分频电路版图设计
• 4.3.3 后仿真结果
• 4.4 小结
• 第五章 芯片实现与测试
• 5.1 正交信号的产生
• 5.2 测试平台的搭建
• 5.3 测试结果及分析
• 5.4 小结
• 第六章 论文总结
• 致谢
• 参考文献
• 参与项目