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硕士论文c m o s 压控振荡器的研究 摘要 锁相环( p h a s e l o c k e dl o o p ，p l l ) 是无线通信系统中最重要的部分。压控振荡器 ( v o l t a g ec o n t r o l l e do s c i l l a t o r , v c o ) 是锁相环电路中不可或缺的一部分。接收机和发射机 的信噪比很大程度上依赖于振荡器的噪声性能。低相位噪声v c o 是实现高性能收发机 的关键，所以一直都是射频领域的研究热点。然而，低相位噪声v c o 的设计也是一个 难点。由于片上无源元件的品质因数不高，以及m o s f e t 本身所固有的高闪烁噪声的 影响，工作在高频段的v c o 相位噪声较差，输出幅度较低。本文设计的2 4 g h zc m o s 电感电容压控振荡器较好地改善了这些不足之处，因此可以满足无线通讯系统的要求。 首先，本文介绍了压控振荡器的工作原理、性能参数以及相位噪声模型。 其次，对比常用的压控振荡器电路拓扑结构，确定本文采用的结构是n m o s 交叉 耦合结构，并分析了片上电感与可变电容器以及振荡器的交流小信号模型。 接着，基于t s m c0 1 8 u r nc m o s 工艺，运用c a d e n c e 软件设计了一个2 4 g h zn m o s 交叉耦合振荡器，并详细地阐述了设计过程及要点。 最后，采用相位噪声降低技术，设计了一个低相位噪声压控振荡器。压控振荡器的 调谐范围为2 3 1 0 g h z - 2 4 7 4 g h z 。在偏离载波频率1 0 0 k h z 处的相位噪声为 9 2 1 4 d b c h z ，在频偏1 m h z 处的相位噪声为1 1 4 6 2 d b c h z 。中心频率处输出功率为 】2 4 d b m 。 关键词：压控振荡器，调谐范围，相位噪声，c m o s 工艺 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t a sc a nb es e e n ，p h a s e 1 0 c k e dl o o p ( p l l ) i sak e yc o m p o n e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s v o l t a g ec o n t r o l l e do s c i l l a t o r ( v c o ) i sa ni n t e g r a l p a r to ft h ep l lc i r c u i t t h e s i g n a l t o n o i s er a t i oo fr e c e i v e ra n dt r a n s m i t t e ri sm a i n l yd e p e n d e do nt h en o i s ep e r f o r m a n c e o ft h eo s c i l l a t o r l o wp h a s en o i s ev c oi st h ek e yt of u l f i l lh i g hp e r f o r m a n c et r a n s c e i v e r s o v c oh a sa l w a y sb e e nt h er e s e a r c hf o c u so nr ff i e l d h o w e v e ll o wp h a s en o i s ev c o i s d i f f i c u l tt od e s i g n b e c a u s eo ft h el o wqv a l u eo fo n c h i pp a s s i v ec o m p o n e n t sa n di n h e r e n t l y h i g hf l i c k e rn o i s eo ft h em o s f e t s ，t h ep h a s en o i s eo fv c o i sp o o la n dt h eo u t p u ta m p l i t u d e o fv c oi sl o w , e s p e c i a l l ya tt h eh i g h f r e q u e n c yb a n d s i nt h i st h e s i s ，t h ed e s i g n e dv c o c a n i m p r o v et h e s ei n a d e q u a c i e s ，s oi tc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s f i r s t l y ，t h et h e s i si n t r o d u c e st h ep r i n c i p l ea n dm a i np a r a m e t e r so fv c o ，a n de x p o u n d s t h ep h a s en o i s et h e o r yo fi t s e c o n d l y ，av a r i e t yo ft o p o l o g i e sa r es i m u l a t e da n dc o m p a r e d t h er e s u l t ss h o wt h a t n m o sc r o s s c o u p l i n gs t r u c t u r ei sb e s t t h et h e s i sa n a l y z e st h eo n c h i pi n d u c t o r s ，v a r i a b l e c a p a c i t o r s ，a n dt h es m a l ls i g n a lm o d e l o fo s c i l l a t o r t h i r d l y ，a2 4g h zn m o sc r o s s c o u p l e do s c i l l a t o ri sd e s i g n e db a s e do nt s m c 0 18 u m c m o sp r o c e s s m e a n w h i l e ，t h ed e s i g np r o c e s sa n dt h ek e yp o i n t sa r ee x p o u n d e d f i n a l l y , t h et h e s i so p t i m i z e st h ed e s i g n e dv c o t oo b t a i nt h el o w e rp h a s en o i s ec i r c u i t w h i c hh a st h es a t i s f a c t o r yr e s u l t s t h ev c oo s c i l l a t e sf r o m2 3 10t o2 4 7 4g h z w i t h1 6g h z t u n i n gr a n g e t h ev c o s h o w sp h a s en o i s eo f 一9 2 1 4 d b c h za t1 0 0 k h zo f f s e t ，1 1 4 6 2 d b c h z a t1m h zo f f s e t ，1 2 4 d b mo u t p u tp o w e ra t2 3 91g h zo s c i l l a t i o nf r e q u e n c y k e yw o r d ：v c o ，t u n a b l er a n g e ，p h a s en o i s e ，c m o sp r o c e s s 硕士论文c m o s 胝控振荡器的研究 目录 摘要。i a b s t r a c t i i 1 绪论1 1 1 课题背景及其意义1 1 2 压控振荡器的研究现状。3 1 3 本课题的主要工作5 1 4 论文的结构一6 2 压控振荡器的基本原理7 2 1 振荡器的基本原理7 2 1 1 双端口反馈系统分析法7 2 1 2 单端能量补偿系统分析法8 2 1 3 负阻的产生以及起振的条件8 2 2 环形振荡器10 2 3l c 振荡器1 1 2 4 压控振荡器的性能参数15 2 5 相位噪声16 2 5 1 噪声类型16 2 5 2 相位噪声模型1 7 2 6 本章小结1 8 3 压控振荡器的设计考虑。19 3 1 片上平面螺旋电感19 3 2 可变电容器2 4 3 3 振荡器结构的选择2 8 3 3 1n m o s 交叉耦合振荡器2 8 3 3 2p m o s 交叉耦合振荡器3 0 3 3 3 互补交叉耦合振荡器3l 3 3 4 本节小结3 3 3 4n m o s 交叉耦合振荡器的分析3 4 3 4 1n m o s 交叉耦合振荡器的小信号模型3 4 3 4 2 电压幅度与工作原理3 5 3 5 本章小结3 6 目录倾j 仁论文 42 4 g h zn m o s 交叉耦合振荡器的设计3 7 4 1 可变电容的选择3 7 4 2 平面螺旋电感的选择3 9 4 3n m o s 交叉耦合管的设计4 2 4 4 尾电流源电路设计4 4 4 5 仿真结果4 4 4 6 本章小结4 9 5 带缓冲级电路的低相位噪声压控振荡器的设计5 0 5 1 带输出缓冲级电路的v c o 的设计5 0 5 1 1 采用电阻负载的共源级作为缓冲级的振荡器5 0 5 1 2 采用电感负载的共源级作为缓冲级的振荡器5 4 5 1 3 采用两级共源级作为缓冲级的振荡器5 6 5 1 4 三种具有输出缓冲级电路的v c o 的比较6 0 5 2 相位噪声降低技术6 0 5 2 1 降低尾电流管1 f 噪声的技术6 0 5 2 2 二次谐波谐振滤波技术6 1 5 2 - 3 大电容滤波技术6 3 5 2 4 感性压控端降噪技术6 4 5 2 5 源级电容耦合降噪技术6 5 5 3 相位噪声降低技术仿真结果6 6 5 4 本章小结6 9 结论及展望7 0 致谢7 l 参考文献7 2 附录。7 6 i v 硕士论文c m o si t , 控振荡器的研究 1 绪论 1 1 课题背景及其意义 无线通信在近年来快速发展，射频集成电路( r f i c ) 在手机、雷达、无线局域网 ( w l a n ) 、光纤通讯、光发射机、卫星通信、无线高清电视( h d t v ) 、射频识另i j ( r f i d ) 标签、全球定位系统、医疗传感器中有着非常广泛地应用【1 。这些通信设备在人们日常 生活中随处可见，如图1 1 1 所示，低频端的频谱变得日益拥挤。为符合低成本效益， 工作在更高频率的无线通信设备的需求与日剧增。2 0 0 2 年美国联邦通信委员会( f c c ) 开 放了2 2 g h z 2 9 g h z 频段，作为汽车雷达系统使用的频段。f c c 规定了2 4 g h z 频段为 医疗、科研、工业应用频段。因此2 4g h z 的收发机需求在日益增加【2 】。 2 6 2 8 g 乜i ，d s 3 7 g h z 4 1 7 7 c ；1 1 j9 4 g h z nm 1 6 比_ l o o h z m o b i l ec o m m u n i c a t i o 蠹 r f i d 厄t c t vb r o a c t c a s 恤g s ，c b a n ds a t e l l i t ec o m m u n i c a t i 三 q - l i n k p a n b r o a d b a n da c c e s s4 0 5 - - 5 0 2 g i - i z g p s 0 0 g 0 5 门拍t ， l 0 6 6 t i - l z 0 8 0 g 比e b a n d 5 口6 5 g 比i 匝e8 0 2 11 a c t 8 0 215 3 c 图1 1 1 频谱资源使用现状图 无线系统接收机射频前端的工作为：对天线接收的信号进行放大，并对放大后的信 号进行下变频，变频到较低的频率。图1 1 2 为超外差式接收机的架构副3 1 。 首先天线接收的射频信号由射频滤波器滤波，射频滤波器的作用是滤除干扰信号、 粗略地对镜像信号( r f 信号相对本振( l 0 ) 信号的对称信号) 进行压缩。然后低噪声放 大器对信号放大，放大的信号再经过镜像抑制滤波器进行进一步的镜像信号压缩。接着 第一级混频器将信号与l o 信号进行混频，经过中频滤波器滤波后，得到固定的中频信 号。中频信号被中频放大器放大后，第二级混频器将信号与l o 信号进行二次混频，在 低中放中放大后，再进行解调( 模数转换) 。最后将信号送至基带电路处理。 可见本振源是接收机中是不可或缺的一部分。 l 绪论 硕：i ：论文 图1 1 2 超外差式接收机的架构图 p l l ( 锁相环) 是无线通信系统中最重要的部分。p l l 在接收机中的作用是提供本 振源。图1 1 3 为2 4 g h zp l l 的架构图。如图中所示，p l l 电路由p f d ( 鉴频鉴相器) 、 c p ( 电荷泵) 、l p f ( 低通滤波器) 、v c o 、i l f d ( 注入锁定分频器) 和数字分频器构成。 v c o 是p l l 电路中不可或缺的一部分。p f d 将参考信号和由数字分频器过来的信号的 频率以及相位进行比较，输出u p 和d n 信号。电荷泵受u p 和d n 信号的控制，对它 后面的l p f ( 低通滤波器) 进行充电以及放电，经低通滤波器滤波之后的电压信号控制 v c o 的振荡频率。v c o 输出的信号作为注入锁定分频器的输入，二分频后，再经由第 二级的数字分频器，最后输出分频信号。当参考信号和由数字分频器过来的信号相位差 不变时，v c o 的输出锁定。数字分频器，一般由d 触发器构成，可以有不同的分频比， 但是功耗很大，且随着工作频率的增加而变大。注入锁定分频器的优点是功耗比较低。 p l l 的功耗取决于v c o 和第一级分频器。所以，在高频p l l 电路中，第一级分频器采 用i l f d 电路，第二级采用数字分频器电路这样的结构可以降低p l l 的功耗。 图1 1 32 4 g h zp l l 的架构图4 1 考虑到系统的实现成本与集成度( 小型化) ，以及c m o s 工艺持续的发展与进步， c m o s 工艺制造的v c o 在最近几年备受关注。如表1 1 所示，随着晶体管特征尺寸减 小到深亚微米阶段，相应的特征频率不断上升，工作在毫米波频率的完全集成的c m o s 压控振荡器是可以实现的【5 1 。更多的r f 电路如中频滤波器( l p f ) 、低噪放( l n a ) 、功放 坝l j 论文c m o s 压控振荡器的研究 ( p a ) 、混频器( m i x e r ) 等，它们能够在c m o s 接收器和发射器上进行集成，加上很早以 前就已经能够基于c m o s 工艺实现对基带信号的处理。所以能够采用先进的c m o s 工 艺实现高速的无线系统。 表1 1a n a l o gc m o si c s 的特征频率 年份 特征尺寸( n m )特征频率( g h z ) 2 0 0 57 51 2 0 2 0 0 66 51 4 0 2 0 0 7 5 31 7 0 2 0 0 84 52 0 0 2 0 0 93 72 4 0 2 0 1 03 22 8 0 2 0 1 12 83 2 0 2 0 1 22 53 6 0 2 0 1 32 24 0 0 在单片收发机芯片中，v c o 对于系统的性能、稳定性、可靠性、重量、成本有非 常重大的影响。对于要求动态范围大的系统，也要求v c o 具有相应高程度的频谱纯度， 从而不会明显的恶化系统的s n r ( 灵敏度) 。接收器和发射器的信噪l l ( s n r ) 在很大程 度上，会依赖于振荡器的噪声性能【6 j 。低相位噪声v c o 是实现高性能收发机的关键， 所以v c o 一直都是射频领域的研究热点。本文正是基于上述背景对2 4 g h z 频段的 c m o s 压控振荡器进行分析研究，旨在设计可以满足无线通讯系统要求的c m o s 压控 振荡器，应用前景广阔。 1 2 压控振荡器的研究现状 国内外论文大多采用l cv c o 的结构来设计高频率的v c o 。l cv c o 的噪声源有 三部分，分别为尾电流源晶体管的噪声，负阻交叉耦合管的噪声，l c 谐振回路的噪声。 由于片上无源器件的q 值低以及m o s 管本身所固有的高闪烁噪声，工作在高频段的 v c o 相位噪声较差，输出幅度较低【7 】。v c o 的相位噪声与噪声源以及谐振回路的q 值 大小有关。对于l cv c o 的研究热点和方向主要集中在以下几个方面：降低噪声源的噪 声贡献 8 】；提高谐振回路的q 值【9 ；改进滤波降噪电路结构【m 1 2 】；改进宽带v c o 的电 路结构 1 3 1 6 】。为了满足系统集成、增大调谐范围以及低电源电压、低功耗的应用，另 外还有一些新颖压控振荡器结构的出现【l7 | 。 下面将已有的一些研究成果及研究现状总结如下： ( 1 ) 2 0 0 7 年，学者y c l i u 和z m l i n 设计了一个2 4 g h z 压控振荡器【6 j 。采用t s m c o 1 8 u m 的c m o s 工艺，电路结构如图1 2 1 所示，它采用了电流复用技术降低了一半功 3 l 绪论硕士论文 耗，功耗为8 2 m w 。采用了电感电容二次谐波滤波技术，噪声降低了7 d b ，在偏离载波 频率1 m h z 处的相位噪声为1 0 8 d b c h z 。用积累型的m o s 变容管得到输出频率范围为 2 3 g h z - 2 5 7 g h z 。 图1 2 1 采用电流复用技术的压控振荡器的示意图 ( 2 ) 2 0 0 8 年，c h e n y u a nc h u 和c h i e n c h e n gw e i 等学者提出了一个2 4 g h z 低功耗 c m o s 接收机结构【1 8 】。结构如图1 2 2 所示，采用t s m co 1 8 u m 的1 p 6 mc m o s 工艺， 它实现了低噪声放大器、混频器、压控振荡器和可变增益放大器的设计。接收机的功率 转换增益为2 3 4 d b ，噪声系数为5 4 d b ，功耗31 6 5 m w 。整个拓扑结构的仿真性能和实 测结果基本一致。其中v c o 采用了电流复用技术，电源电压1 v ，功耗仅为2 7 2m w ， 输出频率范围为2 3 5 2 g h z 2 4 4 7 g h z ，输出功率为6 5 d b m 5 5 d b m ，在偏离载波频率 1 m h z 处的相位噪声为1 0 6 9 d b c h z 。 _ 一一一一6 丽_ c0 n q e l - s l o i m i x e r 图1 2 22 4 g h z 收发机架构图 ( 3 ) 2 0 10 年韩国学者j a e m oy a n g ，c h o u l y o u n gk i m ，d o n g w o o kk i m 和s o n g c h e o l h o n g 采用变压器反馈的拓扑结构实现了2 4 2 7 g h z 的压控振荡器 1 9 】。采用o 。1 8 u r n 的 c m o s 工艺，电路拓扑结构如图1 2 3 ( a ) 所示，变压器采用非对称的线宽构成，版图如 4 盖1=d西嘲上一 坝l j 论文c m o s 压控振荡器的研究 图1 2 3 ( b ) 所示。在偏离载波频率1 m h z 处的相位噪声为1 0 0 3 3 d b c h z 。电源电压o 6 5 v ， 功耗为7 8m w 。 w 1w 2 + 。_ _ _ ( a )( b ) 图1 2 3 变压器反馈的压控振荡器 ( a ) 电路拓扑结构( b ) 非对称线宽的变压器版图 ( 4 ) 2 0 1 0 年，清华大学微电子所的学者们，设计了应用在无线局域网中的低相位噪 声的毫米波v c o 【2 j 。采用了相位噪声降低技术，在偏离载波频率1 m h z 处的相位噪声为 1 0 1 d b c h z 。并使用开关电容阵列结构，实现宽带的压控振荡器，调谐范围为 2 4 2 g h z 2 9 1 g h z 。电源电压o 8 v ，v c o 核心电路功耗为2 8m w 。 ( 5 ) 国外已经有很强的设计与生产v c o 的能力，论文中表明已经制造出一个1 0 5g h z 的v c o 2 0 j ，其调谐范围为2 0 0 m h z ，偏离载波频率1 0 m h z 处的相位噪声为9 7 5 d b c h z ， 功耗为7 2m w ( 不包括缓冲级) 。国内设计生产v c o 的能力比较薄弱。中电十三所设 计与生产的所有v c o 产品的调谐范围为2 5 m h z 1 2 g h z ，偏离载波频率1 m h z 处的相 位噪声为1 0 0 d b c h z 。采用1 2 v 的电源电压，单个v c o 产品最大调谐范围为1 g h z ， 产生1 0 d b m 的输出功率。 国外研究的2 4 g h zc m o sv c o 很多，但是国内的研究还在起步阶段。所以本文旨 在详细地研究2 4 g h zc m o sv c o ，另外参考改进v c o 性能的技术，对c m o s 压控振 荡器有个系统、全面的认识。 1 3 本课题的主要工作 本课题需要设计满足无线通信系统要求的2 4 g h zc m o sv c o ，各项参数指标【2 1 如 表1 2 所示。 、，j- 1 绪论硕士论文 表】，2 参数指标 频率范罔 2 3 10 g h z - 2 4 7 4 g h z 中心频率处输出功率 1 2 4 d b m 负载端二次谐波分量与基波功率之比 9 8 1 6 d b c 偏离载波频率1 0 0 k h z 处相位噪声 一9 2 14 d b c h z 偏离载波频率1m h z 处相位噪声 1 l4 6 2 d b c h z 频率牵引( v s w r = i 6 7 1 ) 3 1 0 m h z 本课题的主要工作包括：介绍了压控振荡器的工作原理、性能参数和相位噪声模型。 仿真常用的v c o 拓扑结构并进行结果对比，确定了本文所采用的拓扑结构。为设计性 能优越的v c o ，分析了片上电感与可变电容器以及振荡器的交流小信号模型。基于 t s m c0 1 8 u mc m o s 工艺，运用c a d e n c e 软件确定2 4 g h zv c oc o r e 电路的设计参数。 最后采用降噪技术设计一个具有缓冲级电路的低相位噪声l cv c o ，得到各项参数比较 好的v c o 电路，并完成电路的各项指标仿真。 1 4 论文的结构 本课题研究内容的背景是v c o 在接收机射频前端中的应用，论文的结构安排如下 所示： 第l 章主要介绍了课题背景及其意义、压控振荡器的研究现状以及本文主要工作。 第2 章介绍了压控振荡器的工作原理，参数指标的定义以及相位噪声的模型。 第3 章仿真常用的v c o 拓扑结构并进行结果对比，确定本文所采用的拓扑结构， 并分析了片上电感与可变电容器以及振荡器的交流小信号模型。 第4 章基于t s m c0 18 u mc m o s 工艺，运用c a d e n c e 软件设计了一个2 4 g h zn m o s 交叉耦合振荡器的核心电路。 第5 章采用降噪技术设计了一个具有缓冲级电路的低相位噪声l cv c o ，得到各 项参数比较好的v c o 电路，并完成电路的各项指标仿真。 最后进行了简洁的工作总结并展望今后的研究工作。 6 顺j j 论文c m o s 胝控振荡器的研究 2 压控振荡器的基本原理 2 1 振荡器的基本原理 2 1 1 双端口反馈系统分析法 振荡器可以视为两端口网络，也可以被看为一端口网络，相应的有两端反馈系统分 析方法，以及单端能量补偿系统分析方法来分析振荡器。 振荡器能够自激振荡，产生周期性的输出。如图2 1 1 所示，振荡器可以被视为两 端口网络。通过简单的分析，反馈网络的闭环传递函数如式( 2 1 1 ) 所示。 g ( j c o ) ：丛丝： 丝鲤2 ( 2 1 1 )7 x ( j c o ) 1 一h ( j c o ) f l ( j c o ) 、 其中有源电路的增益嘶叫是反馈通路开环时，w 叫比x o o d ) 的增益。为使得振荡 器开始起振，在正反馈系统中，坳郴叫的幅值需大于1 ，且闭环回路总的相移必须为 0 或者3 6 0 。的整数倍。在电路设计过程中，为了克服工艺偏差，以及电路的非线性效应 所引起的增益降低，有源电路的增益晰叫往往会设计的大些。正反馈系统中，为了获 得稳定的振荡，在谐振频率o 处，必须同时满足两个条件：h o c o ) p ( a , ) 的幅值为l ，且 闭环回路总的相移必须为0 或者3 6 0 。的整数倍。这两个条件即为巴克豪森判定标准2 2 1 。 y ( j c o ) 图2 1 1 反馈系统表不的振荡器 在即使没有输入信号的情况下，振荡也要能够产生。设x o a o 为0 ，要满足稳定振荡， 则式( 2 1 1 ) 中，分母必须为0 ，即： h ( j c o ) f l ( j c o ) = 1( 2 1 2 ) 式( 2 1 2 ) 符合巴克豪森判定标准。 对于l c 振荡器，频率选择网络由谐振频率为o 的l c 回路构成。为使振荡器开始 起振，小信号环路增益需大于1 。在电路刚开始振荡的时候，电路处于小信号区域。随 着振幅变大，电路的非线性效应起主要作用，电路的非线性效应将限制幅度的增加，最 后达到稳定的振荡时，环路增益为1 。 7 2 压控振荡器的基本原理硕：卜论文 2 1 2 单端能量补偿系统分析法 除了反馈的分析方法，还可以用负阻的分析方法分析振荡器。如图2 1 2 所示，振 荡器可以看成两个单端口网络的互连，即有源网络与谐振回路的互连。 图2 1 2 中有源电路的作用是在振荡器的工作频率处产生小信号的负阻，所产生的 负阻r l 必须等于r 2 ，此时并联阻抗为无穷大，电路能够稳定振荡。对于l c 振荡器， 谐振回路由r l c 并联谐振回路构成。 图2 1 2 振荡器单端1 2 1 网络模型 图2 1 3 为有源电路提供的负阻- r p 补偿l c 回路损耗电阻r p 的电路图。负阻振荡器 模型在毫米波振荡器设i i , t q u 普遍使用【2 3 1 。负阻的分析方法，其核心思想是有源电路提供 的负阻r p 补偿l c 回路的电阻r p 。从能量的角度说，即有源电路补偿l c 谐振回路的 损耗，使电路能够一直稳定持续地振荡下去。 ；一卅p - 一 工， 1on ：g 。 有源电路 图2 1 3 有源电路提供的负阻r 。补偿l c 回路损耗电阻r p 的电路图 2 1 3 负阻的产生以及起振的条件 上面阐述有源电路能够提供负阻，以补偿l c 谐振回路的损耗，那么负阻是如何产 生的呢。以n m o s 交叉耦合振荡器为例，下面进行具体的推导，说明负阻是如何产生 的。如图2 1 4 所示，n m o s 交叉耦合振荡器中的差分m o s 对管电路，它可以实现负 阻。它的交流小信号等效电路如图2 1 5 所示。 坝 5 , - 2 文 c m o s 胜控振荡器的研究 图2 1 4 差分m o s 对管电路实现负阻 圪 图2 1 5 小信号等效电路图 下面进行详细的推导，推导出负阻抗的式子。 ，墅旦一v ，一( 堕+ 1 ) ! 生：! ! 二! !：二墨塑! ： 墨竺! ：一墨竺! 曼竺! j ， g m 2 v lg 卅2 v jg ，7 2 g ，j 1 1 g 删2 m l 和m 2 完全一样，即g 。，l = g m 2 = g m ，则 k 一一2 i xgm 说明差分m o s 对管电路实现了负阻一2 儋或者实现了负跨导一g m 2 。 以n m o s 交叉耦合振荡器为例，如图2 1 6 所示，振荡的条件为： ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 9 2 压控振荡器的基本原理硕士论文 鲁去碱a 为安全因子 2 r 。 。一 其中，口一般取2 3 。在电路设计过程中，为了克服工艺偏差， 效应所引起的增益降低，所以要留有裕量，保证能够起振。 c p 2 2 环形振荡器 图2 1 6 简化的n m o s 交叉耦合振荡器 ( 2 1 5 ) 以及电路的非线性 压控振荡器分为两大类：环形振荡器和l c 压控振荡器。环形振荡器的结构如图2 2 1 所示，为由n 级反相器构成的环形振荡器，其中n 为奇数。每一级反相器的延迟设为t d ， 输出频率为总延迟t d 的函数，即【2 4 】： 厂2 去2 志 亿2 2 n 图2 2 1 环形振荡器的结构 环形振荡器的结构中没有电感，所以它的版图面积很小，但是由于输出信号没有经 过滤波的过程对其噪声整形，尤其在高频率的情况下，环形振荡器的相位噪声性能很差。 1 0 硕l j 论文c m o s 压控振荡器的研究 由于接收机信噪i ：l ( s n r ) 在很大程度上，会依赖于振荡器的噪声性能，所以在设计高频 率的v c o 时，通常采用l c 振荡器结构。 l cv c o 与环形压控振荡器的对比如下表2 1 所示。l cv c o 表现出卓越的相位噪 声性能。在高的工作频率下，l cv c o 与环形压控振荡器相比，有输出功率较大的优势。 此外，在高的工作频率下，由于所需的电感值比较小，所以人们对于电感占版图面积大 的关注越来越小了。由于设计的为2 4 g h z 的压控振荡器，所以选用的结构为l cv c o ， 下面将重点介绍l c 振荡器。 表2 1 电感电容压控振荡器与环形压控振荡器的性能对比 、 优点缺点 环形压控振荡器面积小 相位噪声差 l c 压控振荡器相位噪声卓越、输出功率大电感占版图面积大 2 3l c 振荡器 一定的频率范围内可以等效为如2 3 2 所示的r l c 并联谐振网络【2 5 1 。这种等效方法对于 工作在窄带的v c o 很实用。并联电容c p 、电感l p 、电阻r p 分别为： 铲南1 ( 2 3 1 ) ( + ) 三p “( 1 + 壶) ( 2 3 2 ) r ，：! ! 氅监兰! ! 氅监t f 2 3 3 ) 瓜p = 1 一 z j ) j 。 ( 1 + q i ) r 毗+ ( 1 + q 善) r s c 。 q l 是电感支路的品质因数为： 绕2 瓦c o l ( 2 3 4 ) q 。是电容支路的品质因数为： q c 、2 丽1 ( 2 3 5 ) r l c 并联谐振网络的品质因数为： q t a n k 国r l i ：= c p 郦 ( 2 3 6 ) 国l 。 2 压控振荡器的基本原理硕士论文 谐振频率： z “= 2 、- l 二p c p ( 2 3 - 7 ) r l c 并联谐振网络的品质因数q 。a n k ，对于l cv c o 而言是非常关键的参数，因为 它和相位噪声密切相关。 q 值反映了回路固有的损耗以及其储存能量的能力，它的定义为2 5 】： q ：缈一兰呈型! ! 型一 f 2 3 38 ) a v e r a g ep o w e rd i s s i p a t e d 、。 同时q 也表征了在谐振频率附近，r l c 并联谐振回路阻抗特性曲线的陡峭度，q 值也可以这样定义： q 2 忐 ( 2 3 9 ) 其中a o ；3 抛是r l c 并联谐振回路阻抗特性的3 d b 带宽。q 越大，则阻抗曲线越陡， 选择性越好，所以q 越大，相位噪声越好。 在毫米波的v c o 设计中，由于： 五12 西1 + 西1 ( 2 3 1 0 )q 咖kq lq c 。 且q 。 二l 图2 3 3 电流脉冲作用于电容电感并联谐振回路原理图 振荡回路的瞬 r 2 3 1 2 ) t i m e 图2 3 4 电流脉冲作j l r j 丁电容电感并联谐振回路的瞬态响应图 实际上电感以及电容都有寄生电阻，当电流脉冲作用于r l c 并联谐振回路时，原 理图如图2 3 5 所示，由于谐振回路存在电阻，振荡回路的响应为衰减脉冲响应，如图 2 3 6 所示。由于电阻的存在，一部分能量转化为热能，使得振荡逐渐衰减为零。 2 压控振荡器的基本原理 硕士论文 ： 图2 3 。5 电流脉冲作用于r l c 并联谐振回路的原理图 li m o 图2 3 6 电流脉冲作用于r l c 并联谐振回路的瞬态响应图 将r l c 回路与一个“负阻”并联，在谐振频率处，并联阻抗为o o ，能永远维持振荡。 电路图为图2 3 7 所示。振荡回路的响应如图2 3 8 所示，增加负电阻消除了能量损失， 实现稳幅振荡。在前面章节已经阐述过负阻一般由有源电路产生。所以在实际电路中可 以实现稳幅振荡。 圪。， 1 4 ：= 图2 3 7 电流脉冲作用于有“负阻”补偿的并联谐振回路的原理图 侦f ? 论文c m o si t ( 控振荡器的硎究 t i m e 图2 3 8 电流脉冲作用于有“负阻”补偿的并联谐振回路的瞬态响应图 2 4 压控振荡器的性能参数 压控振荡器的性能参数： ( 1 ) 调谐范围以及相对带宽：当控制电压从0 到v d d 变化时，压控振荡器的输出频率 会从f m i 。变化到f m 舣，调谐范围为f m 觚f m 相对带宽为( f m 缸一f m i 。) ( ( f m a x + f m i 。) 2 ) 。 ( 2 ) 输出功率：负载端的基波功率，单位为d b m 。 ( 3 ) 二次谐波抑制：负载端二次谐波分量与基波功率之比，单位为d b c 。 ( 4 ) 相位噪声： 理想振荡器的输出信号可以由式( 2 4 1 ) 表示： 少( f ) = a c o s ( g o o f + 缈)( 2 4 1 ) 其中彳为振荡器的幅度，g o d 是振荡器的频率，缈为相位偏移量。但是用来实现压控 振荡器的有源以及无源器件，会对输出信号的相位和幅度都引入随机的噪声，引入的噪 声会对式( 2 4 1 ) 产生影响： 少( f ) = 彳( f ) c o s ( g o o f + 妒o ) )( 2 4 2 ) 总相位对于时间的导数即是频率，由于相位的随机性的变化会导致输出频谱产生边 带，即为相位噪声。因为振荡器的非线性以及幅度限制的固有特性，幅度噪声也会转化 为相位噪声，所以产生幅度噪声以及相位噪声的噪声源都会展宽频谱。 振荡器的频谱如图2 4 1 所示，实际振荡器的频谱会展宽，理想的振荡器频谱为一 根谱线。 2 爪控振荡器的皋本原删 倾十论义 理想的振荡器 孱 j ：i 实际的振荡器 簏 荔 渤一 仆jz 一+ ； 图2 4 1 振荡器频谱 相位噪声的定义为单边带的噪声功率谱密度与载波功率之比，一般表示为分贝的形 式，单位为d b c h z ，即： 郴缈) = 1 0 1 0 9 l 益哮些塑l ( 2 4 3 ) l c a r r i e r_ j 其中a 为偏离载波频率的频偏量，只胁6 d 耐细o + a c o ，j 剧为偏离载波频率彳c ) 处1 h z 带宽内的单边带噪声谱密度，尸，衙为载波功率。 ( 5 ) 负载牵引：指的是负载对v c o 输出频率的影响。v s w r 为1 6 7 1 ( 反射系数幅 度为0 2 5 1 2 ，相位从0 到3 5 9 度变化) 的负载对v c o 输出频率的影响。 2 5 相位噪声 2 5 1 噪声类型 噪声会使电路的性能降低，在c m o s 电路设计中，有两种类型的噪声，分别是热 噪声和闪烁噪声。这些噪声是由电子的运动引起的，所以具有随机性，并且能够转化为 相位噪声。 ( 1 ) 热噪声 电阻热噪声是由电子的随机运动产生的，噪声电压为： v ：= 4 k t r a f ( 2 5 1 ) 其中k = - i 3 8 1 0 。2 3 j k ，k 为玻尔兹曼常数，r 为电阻值，形为噪声带宽。 晶体管中也存在热噪声，称之为沟道噪声，噪声电流为： 倾士论文c m o s 压控振荡器的研究 f 毛= 4 k t t g 。( 2 5 2 ) 其中，长沟道晶体管，系数y 为2 3 ，如果是亚微米晶体管的话，y 会大于2 3 。 热噪声的噪声功率谱密度和频率厂无关，因而又被称为白噪声。 ( 2 ) i n 烁噪声( 1 f 噪声) 在多晶硅和单晶硅的交界处会有许多“悬挂”键，当电荷载流子运动到这个界面时， 有一些被随机地俘获，之后又会被释放，于是在漏电流中就产生了闪烁噪声。它可以用 一个与晶体管栅级串联的电压噪声源来模拟： 2 v n = c 土 (253)o2 x w l f ( 2 5 3 ) 其中k 是常量，但是与工艺有关，数量级为1 0 之5 v 2 f 。从式( 2 5 3 ) 可以看出，闪烁 噪声和频率成反比；晶体管的尺寸越大，则闪烁噪声越小。 2 5 2 相位噪声模型 电感电容振荡器典型的单边带相位噪声频谱如图2 5 1 所示。其中靠近载波附近的 曲线斜率为- 3 0 d b d e c ，这区域的噪声主要由有源器件的闪烁噪声造成，a c e ) 1 厂，是转角频 率。接下来的区域的曲线斜率为2 0 d b d e c ，这区域的噪声主要由热噪声造成的，最后平 坦的区域即为噪底。 l a c o 图2 5 1 电感电容振荡器典型的单边带相位噪声频谱 有许多经典的相位噪声理论，有l e e s o n 相噪理论【2 6 ，以及r a e l 模型。l e e s o n 提出 了一个相位噪声的经验公式： 三 a c o = 1 0 - l o g l o 等p 1 + ( 盏) 2 ( 1 + 寄) )(254)i 。g z 彰缈 l a ( o l 其中只喀是谐振器的平均功率，0 3 0 是载波角频率，q 是谐振回路的有载q 值，a c o 为偏离载波频率的频偏量，f 是噪声