RF集成電路中低相位噪聲下變頻VCO的研究與設(shè)計(jì).pdf

1、低相位噪聲壓控振蕩器(Low-Phase-NoiseVoltage-ControlledOscillators，簡稱低噪聲VCO)的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)高性能射頻(Radio-Frequency,簡稱RF)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵。根據(jù)Leeson相位噪聲理論，人們普遍認(rèn)識到設(shè)計(jì)低相位噪聲LC-VCO的關(guān)鍵是高品質(zhì)因數(shù)(Q)振蕩回路的實(shí)現(xiàn)。振蕩回路的Q值主要由電感的Q值決定，因此設(shè)計(jì)低噪聲VCO的最直接也是最有效的方法就是設(shè)計(jì)高Q值的電感。而且人們也認(rèn)識到

2、LC-VCO的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及偏置電路對VCO的相位噪聲也有很大的影響。 最近有的文獻(xiàn)提出了Leeson相位噪聲模型噪聲系數(shù)F的表達(dá)式(適用于交叉耦合LC振蕩器)。此表達(dá)式表明VCO的相位噪聲不但與VCO的偏置電路有很大的關(guān)系，而且與交叉耦合管的溝道噪聲系數(shù)γ有關(guān)，但此表達(dá)式并沒有表明VCO的相位噪聲與交叉耦合管的寬度有關(guān)?；谶@個(gè)理論出現(xiàn)了許多有關(guān)偏置電路濾波技術(shù)的文章，而有關(guān)交叉耦合管優(yōu)化的文章卻很少見。本文對交叉耦合LC-VCO

3、的相位噪聲與交叉耦合管溝道寬度的關(guān)系做了一定的研究，在理論上作了嘗試性的推導(dǎo)，得出了一般情況下交叉耦合管的溝道寬度越大VCO的相位噪聲越低的結(jié)論，并設(shè)計(jì)了兩個(gè)交叉耦合LC-VCO，用EDA軟件的仿真結(jié)果驗(yàn)證了這一結(jié)論。 本文的主要目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)一個(gè)能滿足數(shù)字電視(DTV)前端調(diào)諧芯片設(shè)計(jì)要求的下變頻VCO(基于Charter-RF工藝庫)。VCO的具體設(shè)計(jì)指標(biāo)如下，中心頻率：1.18GHz；調(diào)諧范圍：11％；相位噪聲：＜-85dB

4、c/Hz@10kHz。 論文的工作就是圍繞這一目標(biāo)展開的。本文首先介紹了VCO的基本工作原理，然后總結(jié)了VCO的相位噪聲理論并對之進(jìn)行了研究，得出了一般情況下交叉耦合管的溝道寬度越大VCO的相位噪聲越低的結(jié)論，并提出了負(fù)載限制區(qū)的概念，接下來利用這些理論進(jìn)行了低噪聲VCO的設(shè)計(jì)(包括版圖設(shè)計(jì))，VCO交叉耦合管設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文觀點(diǎn)的正確性，最后對VCO的仿真結(jié)果進(jìn)行了分析和解釋。在設(shè)計(jì)VCO時(shí)，本文主要的設(shè)計(jì)方法和工作如

5、下：1、選用互補(bǔ)型交叉耦合LC-VCO(簡稱CMOS-VCO)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，仿真結(jié)果驗(yàn)證了CMOS-VCO的性能優(yōu)于單交叉耦合VCO的性能；2、基于Charter-RF工藝庫的特點(diǎn)，選用了有利于降低相位噪聲的無源器件(電感、變?nèi)莨芎蚆IM電容)；3、VCO的相位噪聲受到變?nèi)莨艿挠绊懀內(nèi)莨茉酱?，VCO的相位噪聲越高，因此本文采用了開關(guān)調(diào)諧與變?nèi)莨苷{(diào)諧相結(jié)合的調(diào)諧方法；4、從系統(tǒng)的角度出發(fā)，本文提出了滿足電荷泵輸出電壓要求的VCO設(shè)計(jì)方法；

6、5、在設(shè)計(jì)VCO的交叉耦合管時(shí)，利用本文的觀點(diǎn)對交叉耦合管采用了優(yōu)化設(shè)計(jì)；6、本文還利用濾波技術(shù)實(shí)現(xiàn)了VCO的低噪聲偏置電路。 不少文獻(xiàn)在引用VCO輸出電壓幅度的公式時(shí)，沒有區(qū)分互補(bǔ)型交叉耦合LC-VCO與單交叉耦合LC-VCO輸出幅度公式的不同。有些文獻(xiàn)只是對VCO幅度公式做了定性的說明，并沒有給出詳細(xì)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。本文分別對互補(bǔ)型交叉耦合LC-VCO與單交叉耦合LC-VCO輸出幅度公式做了數(shù)學(xué)推導(dǎo)。 本文設(shè)計(jì)的互補(bǔ)型交