（電路與系統(tǒng)專業(yè)論文）無線通信用lc壓控振蕩器.pdf

摘要 摘要 無線通信系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展 個人數(shù)據(jù)通信的迅速增長推動了低成本 低功耗無線收 發(fā)系統(tǒng)的研究與開發(fā) 同時集成電路工藝的不斷進步 器件特征頻率的持續(xù)提高 也使 得無線收發(fā)系統(tǒng)中大部分電路的單片集成成為可能 本文主要研究的l c 壓控振蕩器是 射頻收發(fā)機前端的核心電路 其作用是在盡可能少引入相位噪聲的條件下為混頻器和分 頻器提供本振信號 其性能優(yōu)劣對收發(fā)機系統(tǒng)有很大影響 壓控振蕩器通常作為射頻通 信系統(tǒng)上變頻和下變頻的本地振蕩器 現(xiàn)代通信系統(tǒng)中不斷增加的帶寬需求對本地振蕩 器的振蕩信號頻譜純度提出了更加嚴格的要求 為了減小因頻譜不純對接收機或發(fā)射機 產(chǎn)生不良影響 要求本地振蕩器具有很低的相位噪聲 另一方面 由于振蕩器是一個非 線性時變系統(tǒng) 因此對其進行相位噪聲分析是一個難題 實際設計中通常借助仿真工具 進行參數(shù)掃描 找出各個元件值的最優(yōu)組合 但這樣的過程缺乏理論依據(jù)的支持 本文采用c m o s 工藝和s i g eb i c m o s 工藝設計應用于無線通信系統(tǒng)的l c 壓控振 蕩器 并針對振蕩器的相位噪聲做了比較系統(tǒng)的分析 整理出了一種適用于工程實踐的 優(yōu)化方法 最后在理論分析的基礎上設計了應用于不同無線通信系統(tǒng)的三塊v c o 芯片 文中相位噪聲分析方法是基于h a j i m i r i 提出的線性時變 1 i n e a rt i m ev a r i a n t l 1 v 模型 進行的 l 1 v 模型提供了一個比較準確的分析相位噪聲的方法 但存在脈沖敏感度函數(shù) i m p u l s es e n s i t i v ef u n c t i o n i s f 不易獲得的問題 影響了它的廣泛應用 本文總結(jié)出 簡單求解i s f 函數(shù)的方法 通過對振蕩器電路的一次瞬態(tài)仿真即可得到i s f 函數(shù)的數(shù)值 解 或者更簡單地 近似振蕩波型為理想正弦波 通過正弦函數(shù)得到i s f 函數(shù)的解析解 再通過計算就可以得到電路的相位噪聲 接下來將l 1 v 模型應用于不同工藝和結(jié)構(gòu)的 振蕩器電路 如c m o s 振蕩器 雙極性振蕩器 l c 差分負阻振蕩器和c o l p i t t s 振蕩器 使相位噪聲的分析有了理論依據(jù) 在相位噪聲的分析過程中 用變量表示需要優(yōu)化的電 路參數(shù) 計算過程中使用i s f 函數(shù)的解析解 把相位噪聲表示為元件參數(shù)的函數(shù) 完成 了相位噪聲的優(yōu)化過程 由于在相位噪聲的優(yōu)化過程中通常不需要找到最小的相位噪聲 值 而更希望得到以電路參數(shù)表示的相位噪聲函數(shù)的解析式或曲線 本文進 步簡化了 線性時變模型的分析方法 在相位噪聲的計算過程中以噪聲載波功率比為函數(shù) 電路參 數(shù)為自變量 簡化了計算過程 得到相位噪聲函數(shù)的解析式并做出函數(shù)曲線 依據(jù)函數(shù) 解析式或曲線找到某電路參數(shù)理論上的最優(yōu)值 從而完成優(yōu)化過程 在此指導下進行電 路設計可以達到事半功倍的效果 文中具體給出了c m o sl c 差分負阻振蕩器中m o s 管寬長比和諧振腔電感值的優(yōu)化過程以及雙極性c o l p i t t s 振蕩器中電容分壓比的優(yōu)化過 程 論文第一章介紹了課題背景和壓控振蕩器的研究現(xiàn)狀 由于半導體材料和器件是集 成電路電路設計的基礎 本論文設計的壓控振蕩器采用c m o s 和s i g eb i c m o s 工藝 因此 在第二章詳細介紹這兩種工藝 列舉了兩種工藝的特點和主要器件的參數(shù)指標 并分析m o s 晶體管和s i g ei i b t 晶體管的噪聲模型 第三章分析了振蕩器的工作原理 尤其是對電壓偏置型l c 差分負阻振蕩器和c o l p i t t s 振蕩器作了詳細分析 總結(jié)了這兩 類振蕩器的一般分析方法 由于相位噪聲是振蕩器的一個重要性能指標 第四章對相位 噪聲做了詳細研究 首先分析了相位噪聲的產(chǎn)生機理 推導出壓控增益與相位噪聲間的 關(guān)系 接著論述了通信系統(tǒng)中相位噪聲與信噪比的關(guān)系以及鎖相環(huán)中的相位噪聲 最后 介紹了相位噪聲分析中的常用模型并對它們的優(yōu)劣進行了比較 著重分析了l e e s o n 模 型和h a j i m i r i 提出的線性時變模型 對于線性時變模型中沖擊敏感度函數(shù)不易獲得的問 題 整理出了簡單實用的求解方法 通過對振蕩器電路的一次瞬態(tài)仿真得到i s f 函數(shù)的 數(shù)值解 或者更簡單的近似振蕩波型為理想正弦波 通過正弦函數(shù)得到i s f 函數(shù)的解析 解 第五章和第六章將相位噪聲分析方法應用于具體的電路設計 給出了參數(shù)優(yōu)化的方 法 并在電路實踐中得到驗證 第五章采用0 1 8 1 a mc m o s 工藝設計了兩個電壓偏置型 l c 差分負阻振蕩器 應用于d v b t 接收機 設計過程中對相位噪聲進行了優(yōu)化 先后 將m o s 晶體管寬長比和諧振腔電感值作為設計變量 應用線性時變模型推導出相位噪 聲與設計變量之間的函數(shù)關(guān)系 從理論上給出相位噪聲性能最優(yōu)的元件參數(shù)取值范圍 鑒于優(yōu)化過程中通常不需要找到最小函數(shù)值 而更希望得到以參變量表示的解析式或曲 線 推導過程中以噪聲載波功率比代替了相位噪聲 為進一步簡化推導過程 針對電路 特點按晶體管工作狀態(tài)細分電路工作區(qū)域 這樣避免了大量積分運算 盡可能以簡單的 比例形式得到相位噪聲與設計變量間的函數(shù)關(guān)系 芯片設計在理論分析的指導下進行 最后測試結(jié)果表明 窄頻帶v c o 的振蕩頻率范圍為1 1 5 0 1 2 1 0i v l l i z 相位噪聲為1 0 k h z 頻偏處 8 9d b c h z 核心電路功耗7 7m w 5 0 q 負載阻抗上的單端輸出功率 3d b m 另一塊寬頻帶v c o 的振蕩頻率范圍1 1 7 3 1 9 0 0m h z 相位噪聲為1 0 k h z 頻偏處 8 3 d b c h z 核心電路功耗1 5 8m w 5 0 q 負載阻抗上的單端輸出功率 8d b m 第六章采用 0 3 51 a ms i g e 工藝設計c o l p i t t s 振蕩器 應用于i s m i n d u s t r i a ls c i e n t i f i ca n dm e d i c a l 波段的集群通信系統(tǒng) 設計過程中以相位噪聲為優(yōu)化目標 c o l p i t t s 振蕩器的電容分壓 比作為設計變量 雙極性晶體管的指數(shù)率特性使計算過程較為繁瑣 文中采用b e s s e l 函數(shù)簡化計算過程 對電路中不同的噪聲源 電容分壓比的最優(yōu)值并不相同 文中分別 作了計算 電路設計時按照各噪聲源的影響大小選擇合適的電容分壓比 使總相位噪聲 最小 最后在理論分析的指導下進行v c o 芯片設計 測試結(jié)果表明 v c o 振蕩頻率 3 4 0 4 0 0m h z 1 0 k h z 頻偏處相位噪聲 9 1d b c h z 核心電路功耗3 3m w 5 0 q 負載 阻抗上的單端輸出功率 2 5d b m 關(guān)鍵詞 l c 壓控振蕩器 相位噪聲 線形時變模型 l c 交叉耦合振蕩器 c o l p i t t s 振 蕩器 頻率綜合器 a b s t r a c t ab s t r a c t t h eq u i c kd e v e l o p m e n ti nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sa n dt h ee x p l o s i v eg r o w t ho f p e r s o n a ld a t ac o m m u n i c a t i o n sh a v ed r i v e nt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s s t r a n s c e i v e r s m e a n w h i l e t h ep r o g r e s si nt e c h n o l o g i e sa n dt h ei n c r e a s eo ft r a n s i t i o nf r e q u e n c y o fa c t i v ed e v i c e sm a k et h em o n o l i t h i cr e a l i z a t i o no fm o s tc i r c u i tb l o c ki nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e mb e c o m ep o s s i b l e t h eo b j e c ts t u d i e di nt h i st h e s i si st h el c t u n e d 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 s v c o s a sm a i nb l o c k so fi 心t r a n s c e i v e r s t h e i rf u n c t i o ni st o p r o d u c es t a b l el o c a lo s c i l l a t o rs i g n a l sf o rm i x e r sa n df r e q u e n c yd i v i d e r sw h i l ei n t r o d u c i n ga s l e s s p h a s en o i s e a sp o s s i b l e v c o sa r ec o m m o nf u n c t i o n a lb l o c k si nm o d e ml 強 c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n dg e n e r a l l yu s e da sl o c a lo s c i l l a t o r sf o ru p a n dd o w n c o n v e r t i n g o ft h es i g n a lf r e q u e n c y d u et ot h ee v e r i n c r e a s i n gd e m a n df o rb a n d w i d t h v e r ys t r i n g e n t r e q u i r e m e n t sa r ep l a c e do nt h es p e c t r a lp u r i t yo fv c o s al o wp h a s en o i s ei sa l w a y sr e q u i r e d t oa v o i dd e g e n e r a t i o nt h em i x e rc o n v e r t e ds i g n a lb yc l o s ei n t e r f e r i n gt o n e s o nt h eo t h e rh a n d a no s c i l l a t o ri san o n l i n e a rt i m e v a r i a n ts y s t e m i ti sd i f f i c u l tt oa n a l y z et h ep h a s en o i s e i n p r a c t i c e o p t i m i z e dp a r a m e t e r sa r ef o u n db ys i m u l a t i o nt o o l st h r o u g hp a r a m e t e rs w e e p i n g b u tt h eo p t i m i z a t i o np r o g r e s si si a c ko ft h e o r ys u p p o r t i nt 1 1 i st h e s i s a l lr fc m o sa n das i g eb i c m o st e c h n o l o g ya r eu s e dt od e s i g nt h el c v c o s t h ep h a s en o i s ei sa n a l y z e ds y s t e m a t i c a l l y a n das e to fo p t i m i z a t i o nm e t h o df i tf o r e n g i n e e r i n gi sg i v e n a ti a s t b a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s t h r e ev c 0c h i p sf o rd i f f e r e n t w i r e l e s ss y s t e m sa r ed e s i g n e d t h ep h a s en o i s ea n a l y s i sm e t h o di nt h i st h e s i si sb a s e do nt h e l i n e a rt i m ev a r i a n t l t v m o d e lp r o p o s e db yh a j i m i r i t h e 刪m o d e li saq u i t ea c c u r a t e m e t h o df o ra n a l y z i n gp h a s en o i s e b u tt h ei m p u l s es e n s i t i v ef u n c t i o n i s f i sd i f f i c u l tt o c a l c u l a t e w h a ts u p p r e s s e st h ea p p l i c a t i o no f 哪m o d e l s s i m p l em e t h o d sa r es u m m e du pf o r i s fc a l c u l a t i o n i s fn u m e r i c a lr e s u l t sc a nb e9 0 tb yc i r c u i tt r a n s i e n ts i m u l a t i o no n c e o ri t s f o r m u l ar e s u l t sc a r lb e9 0 tw i t hs i n ef u n c t i o ni ft h eo s c i l l a t i n gw a v e f o r mi sc o n s i d e r e da sa n i d e a ls i n ew a v e t h e n t h ec i r c u i tp h a s en o i s ec a nb ec a l c u l a t e de a s i l y n e x t t h el r vm o d e li s a p p l i e dt ot h ev c 0 c i r c u i t sw i t hv a r i o u st e c h n o l o g i e sa n dv a r i o u ss t r u c t u r e s s u c ha sc m o s o s c i l l a t o r s b i p o l a ro s c i l l a t o r s l cc r o s s c o u p l e do s c i l l a t o r sa n dc o l p i t t so s c i l l a t o r s t h ep h a s e n o i s ea n a l y s i si st h e nc a r r i e do u tb a s e do nt h et h e o r i e s i nt h ep h a s en o i s ea n a l y z i n g v a r i a b l e s w i l lb eu s e dt os u b s t i t u t ef o rt h eo p t i m i z e dc i r c u i t s p a r a m e t e r s a n dt h er e s u l t so b t a i l l e df r o m t h ei s ff o r m u l aw i l lb eu s e di nc a l c u l a t i o n t h u s t h ep h a s en o i s ec a nb ee x p r e s s e da sa f u n c t i o no fc i r c u i t s p a r a m e t e r s t h i si st h ep h a s en o i s eo p t i m i z a t i o n i nt h eo p t i m i z a t i o n t h e m i n i m u mp h a s en o i s ei sn o ta l w a y sn e e d e d b u tt h ep h a s en o i s ea n a l y t i c a lf o r m u l ao rp l o r i n g c u r v e sd e p e n do nc i r c u i t sp a r a m e t e r sa r ed e s i r e d i nt h i sp a p e r t h ea n a l y s i sm e t h o do f 州 m o d e lw a ss i m p l i f i e d t a i i n gn o i s ep o w e rc a r r i e rr a t i oa sf u n c t i o na n dc i r c u i t s p a r a m e t e r sa s s e l fv a r i a b l e t h ec a l c u l a t i o nw a ss i m p l i f i e d t h ep h a s en o i s ea n a l y t i c a lf o r m u l a sw e r eg o ta n d t h e i rc u r v e sw e r ep l o t t e d t h et i l e o r e t i c a lo p t i m i z e dr e s u l t so fc i r c u i t s p a r a m e t e r sw e r ef o u n d f r o mt h ef u n c t i o n sa n dc u r v e s t h e s ec o m p l e t et h eo p t i m i z a t i o np r o g r e s s c i r c u i t s d e s i g n s b e c o m em o r ee m c i e n tu n d e rt h ei n s t r u c t i o no ft h eo p t i m i z a t i o n i nt h i sp a p e r c o n c r e t e o p t i m i z i n gp r o g r e s sw e r eg i v e n i n c l u d i n gt h eo p t i m i z a t i o no ft h em o s f e t s w i d t h l e n g t h r a t i oa n dt h et a n k i n d u c t o r s v a l u ei nc m o sl cc r o s s c o u p l e do s c i l l a t o r sa n dt h e o p t i m i z a t i o no fc a p a c i t o r sr a t i o ni sb i p o l a rc o l p i t t so s c i l l a t o r s i nc h a p t e r1t h eb a c k g r o u n da n dt h ec u r r e n ts i t u a t i o no fo s c i l l a t o r s r e s e a r c h i n gw i l lb e i n t r o d u c e d t h em a t e r i a l sa n dd e v i c e so fs e m i c o n d u c t o r sa r et h eb a s eo fi n t e g r a t e dc i r c u i t m d e s i g n t h eo s c i l l a t o r si nt h et h e s i sa r ed e s i g n e di nd i f f e r e n tc m o sa n ds i o eb i c m o s t e c h n o l o g i e sw h i c hw i l lb ep r e s e n t e di nc h a p t e r2 t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et e c h n o l o g i e sa n d m a i nd e v i c e sa r ei i s t e d a n dn o i s em o d e l so ft h em o s f e l sa n ds i g eh b tt r a n s i s t o r sa r e a n a l y z e d 1 1 l co s c i l l a t i o nt h e o r i e sa r es t u d i e di nc h a p t e r 3 e s p e c i a l l yf o rv o l t a g e b i a s e dl c c r o s s c o u p l e dv c o sa n dc o l p i r sv c o s g e n e r a la n a l y t i c a lm e t h o d so ft w ok i n d so fv c o s a r es u m m a r i z e d a st h em o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e ro fav c o t h ep h a s en o i s ew i l lb ea n a l y z e d i n d e t a i l i nc h a p t e r4 a tf i r s t t h ep h a s en o i s em e c h a n i s mi ss t u d i e d t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ep h a s en o i s ea n dt h ef r e q u e n c y v o l t a g eg a i ni sd e d u c e d n e x t t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ep h a s en o i s ea n dt h es i g n a ln o i s er a t i oi nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n dp h a s en o i s e i np h a s el o c k e dl o o p s p l l s a r es t u d i e d a tl a s t t h ec o m m o n l yu s e dp h a s en o i s em o d e l sa r e i n t r o d u c e da n dc o m p a r e d t h el e e s o nm o d e la n dt h e 倒m o d e lp r o p o s e db yh a j i m i r ia r e e m p h a s i z e d t os o l v et h ep r o b l e m so ft h ed i f f i c u l t yi nc a l c u l a t i n gi s fi nu r vm o d e l s i m p l e m e t h o d sa r es u m m e du p i s fn u m e r i c a lr e s u l t sc a nb eg o tb ya p p l y i n gt r a n s i e n ts i m u l a t i o n o n c et oo s c i l l a t o rc i r c u i t s a n di s ff o r m u l ar e s u l t sc a nb eg o tf r o ms i n ef u n c t i o n si ft h e o s c i l l a t i n gw a v e f o r mi sc o n s i d e r e da sa ni d e a ls i n ew a v e i nc h a p t e r5a n d6t h ep h a s en o i s e a n a l y s i sm e t h o d sw i l lb eu t i l i z e di nt h ec i r c u i t sd e s i g n t h ed e v i c ep a r a m e t e r sw i l lb e o p t i m i z e d a n dt h em e t h o dw i l lb ev a l i d a t e dt h r o u g hc i r c u i t s r e a l i z a t i o n i nc h a p t e r5 t w o v o l t a g e b i a s e dl cc r o s s c o u p l e dv c o sf o rd v b tt r a n s c e i v e r sa r ed e s i g n e di na0 18 b m c m o st e c h n o l o g y t h ep h a s en o i s ei so p t i m i z e di nd e s i g np r o c e d u r e r e g a r dm o s f e t s w i d t h t o 1 e n g t hr a t i oa n dt h et a n ki n d u c t o rv a l u ea sv a r i a b l e s r e s p e c t i v e l y t h ef u n c t i o n a l r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h ep h a s en o i s ea n dt h ed e s i g nv a r i a b l e sa r ed e d u c e d t h et h e o r e t i c a l o p t i m i z e dp a r a m e t e rv a l u er a n ga r ef o u n do u t b e c a u s et h em i n i m u mp h a s en o i s ei sn o t a l w a y sn e e d e di no p t i m i z a t i o n a n dt h ep h a s en o i s ea n a l y t i c a lf o r m u l ao rp l o t t i n gc u r v e s d e p e n do nc i r c u i t sp a r a m e t e r sa r ed e s i r e d t h ep h a s en o i s ei ss u b s t i t u t e db yn o i s e q o c a r r i e r r a t i o t os i m p l i f yt h ec a l c u l a t i o n t h ew o r k i n gr e g i o nw i l lb es p l i t t e di n t os e v e r a ls u b r a n g e s a c c o r d i n gt ot r a n s i s t o rw o r k i n gc o n d i t i o n t h u s al o to fi n t e g r a t i o n sa r ea v o i d e d a n dt h e p h a s en o i s ef u n c t i o nu p o nd e s i g nv a r i a b l e sc a nb ee x p r e s s e da ss i m p l ep r o p o r t i o nf o r m a t t h e c i r c u i t sd e s i g nw i l lb em a d ea c c o r d i n gt ot h ei n s t r u c t i o no f 廿l e o r e t i c a la n a l y s i s t h e m e a s u r e e dr e s u l t ss h o wt h a tt h en a r r o wb a n dv c 0 w i t haf r e q u e n c yr a n g eo fll5 0 12lo m i i z ap h a s en o i s eo f 一8 9d b c h za tl0 k h zo f f s e t a7 7 蚰wp o w e rd i s s i p a t i o na n da 3d b m s i n g l e p o r to u t p u tp o w e ra t5 0 一ql o a d t h eo t h e rv c o i so fw i d eb a n d w i t haf r e q u e n c y r a n g eo f1 1 7 3 1 9 0 0m h z ap h a s en o i s eo f 8 3c l b c f f r t za tl o k h zo f f s e t a1 5 8m wp o w e r d i s s i p a t i o n a n d 一8d b ms i n g l e p o r to u t p u tp o w e ra t5 0 一ql o a d i nc h a p t e r6 ac o l p i t t sv c o d e s i g n e di na0 3 5 一i x ms i g eb i c m o st e c h n o l o g ya n df o ri s m i n d u s t r i a ls c i e n t i f i ca n d m e d i c a l s y s t e mw i l lb ed e s c r i b e d r e g a r d e dt h ep h a s en o i s ea so p t i m i z a t i o no b j e c t t h e c a p a c i t a n c er a t i oo ft h ec o l p i t t so s c i l l a t o rw i l lb ed e f i n e da sv a r i a b l e t h ee x p o n e n t i a l c h a r a c t e r i s t i co fb i p o l a rt r a n s i s t o r sm a k ec a l c u l a t i o nc o m p l e x t h u s t h eb e s s e lf u n c t i o nw i l l b eu s e dt os i m p l i f yt h ec a l c u l a t i o n f o rd i f f e r e n tn o i s es o u r c e si nt h ec i r c u i t t h eo p t i m i z e d c a p a c i t a n c er a t i ov a r i e s t h i st h e s i sc a l c u l a t e st h e mo n eb yo n e s e l e c t sa l la p p r o p r i a t ev a l u e a c c o r d i n gt ot h ec o n t r i b u t i o no fe a c hn o i s es o u r c e a n dm a k e st h eo v e r a l lp h a s en o i s e m i n i m u m t h ev c od e s i g ni sa c c o r d i n gt ot h ei n s t r u c t i o no ft h e o r e t i c a ia n a l y s i s t h e m e a s u r e dr e s u l t ss h o wt h a tt h ef r e q u e n c yr a n g ei s3 4 0 4 0 0m h z t h ep h a s en o i s ei s 9 1 d b c h za tl0 k h zo f f s e t t h ep o w e rd i s s i p a t i o ni s3 3m w a n dt h eo u t p u tp o w e ro n5 0 ql o a d i s 2 5d b m k e yw o r d s l cv c o p h a s en o i s e u m o d e l l cc r o s s c o u p l e dv c o c o l p i t t sv c o f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r i v 東南大學學位論文獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究 成果 盡我所知 除了文中特別加以標注和致謝的地方外 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā) 表或撰寫過的研究成果 也不包含為獲得東南大學或其它教育機構(gòu)的學位或證書而使用 過的材料 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明 并表示了謝意 東南大學學位論文使用授權(quán)聲明 東南大學 中國科學技術(shù)信息研究所 國家圖書館有權(quán)保留本人所送交學位論文的 復印件和電子文檔 可以采用影印 縮印或其他復制手段保存論文 本人電子文檔的內(nèi) 容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致 除在保密期內(nèi)的保密論文外 允許論文被查閱和借閱 可 以公布 包括刊登 論文的全部或部分內(nèi)容 論文的公布 包括刊登 授權(quán)東南大學研 究生院辦理 研究生簽名 蔓眸導師簽名 第l 章引言 第1 章引言 壓控振蕩器 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 作為頻率源 是大多數(shù)電子系統(tǒng) 必不可少的組成部分 更是無線通信系統(tǒng)的核心電路之一 它通常應用于鎖相環(huán)系統(tǒng)中 給收發(fā)機提供穩(wěn)定的本地載波信號 本章首先提出課題背景 接下來介紹l c 壓控振蕩 器的研究現(xiàn)狀 最后給出論文的主要內(nèi)容和組織結(jié)構(gòu) 1 1 課題背景 近十年以來 信息通信領域中發(fā)展最快 應用最廣的就是無線通信技術(shù) 在移動中 實現(xiàn)的無線通信又通稱為移動通信 人們把二者合稱為無線移動通信 這一應用已深入 到人們生活和工作的各個方面 其中第三代移動通信 3 g 無線局域網(wǎng) w l a n 超 寬帶 u w b 藍牙 寬帶衛(wèi)星系統(tǒng) 數(shù)字電視廣播 d v b 等都是2 l 世紀最熱門的 無線通信技術(shù)的應用 因此 設計性能優(yōu)越 成本低廉的射頻通信芯片具有非常廣闊的 市場前景 隨著集成電路工藝技術(shù)的不斷進步 越來越多的射頻單元電路 如低噪聲放 大器 混頻器 壓控振蕩器 功率放大器等等 能夠集成到單片收發(fā)機芯片上 加上基 帶信號處理芯片早已能夠在硅基芯片上實現(xiàn) 使整個接收系統(tǒng)的單片集成成為可能 典型射頻 r a d i of r e q u e n c y r f 前端收發(fā)機模塊圖示于圖1 1 混頻器 m i x e r 和本振 l o c a lo s c i l l a t o r l o 模塊將射頻信號下變頻為中頻信號或者將中頻信號上變頻 為射頻信號 由于中頻頻率通常固定 信道選擇通過改變本振頻率實現(xiàn) a n t e n n a m i x e r m i e r 圖1 1 典型射頻前端接收機簡化模塊圖 本振電路通常用鎖相環(huán) p h a s el o c k e dl o o p p l l 實現(xiàn) 鎖相環(huán)的作用是將壓控振 蕩器產(chǎn)生的輸出信號與一個高穩(wěn)定的晶振信號同步 一般由v c o 低通濾波器 l o wp a s s f i l t e r l p f 鑒頻鑒相器 p h a s ef r e q u e n c yd e t e c t o r p f d 和分頻器 f r e q u e n c yd i v i d e r f d 組成 見圖1 2 因為鎖相環(huán)實現(xiàn)頻率傳輸和信道選擇 它的頻譜純度影響整個無 線傳輸系統(tǒng)的性能 鎖相環(huán)的帶內(nèi) 環(huán)路帶寬之內(nèi) 相位噪聲來自其組成的各個模塊 帶外 環(huán)路帶寬之外 相位噪聲主要來自v c o 因此鎖相環(huán)的輸出頻譜純度很大程度 上取決于v c o 東南大學博士學位論文 v c o 圖1 2 典型鎖相環(huán)簡化模塊圖 無線通信用戶數(shù)量的增長需要更加有效地利用有限的頻譜資源 而無線收發(fā)機中本 振模塊的頻譜純度決定了信道與用戶數(shù)量的上限 接收機中本振模塊的相位噪聲限制了 鄰近信道存在強干擾情況下的微弱信號檢測能力 也就是接收機的選擇性 靈敏度和動 態(tài)范圍 發(fā)射機本振模塊的相位噪聲導致了傳輸信道外的能量泄露 因此現(xiàn)代無線通信 系統(tǒng)需要高性能的本振模塊 主要是低相位噪聲的v c o t l j 1 2l c 振蕩器研究現(xiàn)狀 振蕩器電路的實現(xiàn)方式主要有環(huán)形振蕩器和l c 振蕩器 環(huán)形振蕩器的頻率調(diào)節(jié)范 圍一般較大 但由于其相位噪聲性能比l c 振蕩器差很多 故而在對頻譜純度要求較高 的無線通信領域很少采用 傳統(tǒng)的v c o 是獨立模塊 在p c b p r i n t e dc i r c u i tb o a r d 上與鎖相環(huán)電路連接起 來 這樣的v c o 通常用薄金屬皮包封 以隔離外界噪聲與它的相互影響 伴隨無線通 信技術(shù)快速發(fā)展的是用戶對無線通信產(chǎn)品小型化和廉價的需求 隨著c m o s 工藝最小 特征尺寸接近納米數(shù)量級以及硅基上寬帶隙能級s i g e 的出現(xiàn) 有源器件的頻率特性已 經(jīng)非常優(yōu)秀 使得硅基單片收發(fā)機成為解決這一需求的最好途徑 2 引 1 2 1 片上無源元件 l cv c o 使用的兩個重要無源元件是電感和可變電容 片上螺旋電感最主要的問題在于受各種寄生效應的影響 品質(zhì)因數(shù)不高 這些寄生 效應主要有 第一 金屬線的高頻趨膚效應和鄰近效應造成串聯(lián)電阻的急劇增加 第二 金屬對硅襯底的寄生電容降低了電感的自諧振頻率 第三 磁場在硅襯底中形成的渦流 降低了電感感值 且增加了串聯(lián)損耗電阻 為了提高高頻段上的電感q 值 近十年間研 究者提出了很多的解決辦法 例如 采用多層金屬并聯(lián)降低串聯(lián)電阻 地屏蔽層減少電 場在硅襯底上的損耗 差分電感等等1 4 可變電容作為可調(diào)元件廣泛應用于射頻壓控振蕩器的諧振電路中 c m o st 藝中實 現(xiàn)可變電容主要有四種結(jié)構(gòu) p n 結(jié)電容 普通m o s 管電容 反型m o s 管電容和累積 型m o s 管電容 p n 結(jié)電容的q 值較高 多在2 0 或者更多 但是隨著頻率升高會逐漸 變差 并且其電容變化范圍較小 調(diào)諧頻率范圍較小 按照源極 s 漏極 d 以及 襯底 b 的不同連接方法 m o s 管有不同的工作模式 目前較多適用的是累積型m o s 管 a m o s 可以擁有很高的q 值和變化范劇5 1 2 2 相位噪聲 相位噪聲是v c o 的一個重要參數(shù) 在對l cv c o 不斷深入的研究過程中 振蕩器 相位噪聲產(chǎn)生機制和計算理論不斷發(fā)展完善 為設計低相位噪聲的壓控振蕩器提供了理 2 墨 雯呈 童 論指導 第一種著名的相位噪聲模型是l e e s o n 模型 6 它是一個半經(jīng)驗模型 是基于可 調(diào)諧振腔振蕩器線性時不變 l i n e rt i m ei n v a r i a n t l t i 假設的 l e s s o n 模型可準確地 預測振蕩器的相位噪聲行為 而且數(shù)學表達式非常簡單 因此得到了廣泛應用 但l e e s o n 模型中包含有 個試驗參數(shù)f 它需要進行實際測量后擬合得到 因此它不能預測振蕩 器的相位噪聲性能 這是l e e s o n 模型最大的問題 第二種相位噪聲理論由r a z a v i 等人 提出 他們將振蕩器等效為一個線性時不變系統(tǒng) 然后用正弦電壓信號等效噪聲信號源 注入到電路中的電壓節(jié)點上i l 這種方法在頻偏較大的頻率上計算比較準確 但不適合 頻偏較近的l 礦特性區(qū)域 第三種方法是h a j i m i r i 等人提出的 是在線性相位時變系統(tǒng) 的假設條件下 將噪聲源看作一個沖擊電流源 求輸出的相位響應函數(shù)1 7 s 這種方法由 于采用諧波的互相混頻調(diào)制的機制 在整個頻域上都比較準確 隨著對壓控振蕩器的相位噪聲產(chǎn)生機理認識的逐漸深入 人們提出了大量降低相位 噪聲的方法 其中具有代表性的技術(shù)是噪聲濾波技術(shù) 閃爍噪聲降低技術(shù) 這些技術(shù)的 應用使得c m o s