宽带PLL中低相位噪声VCO的优化设计

摘要

无线通信的广泛应用和集成电路技术的迅速发展,使集成收发机正在成为一个重要的研究领域。低噪声压控振荡器(VCO)的设计是实现高性能射频通信系统的关键,也是接收机设计中极具挑战性的部分,因为CMOS器件具有较高的flicker噪声,基于CMOS工艺的宽带低噪声VCO设计更是VCO设计的一个难点。 本文首先介绍了VCO的基本相位噪声理论以及宽带低噪声LC VCO的基本工作原理和设计方法,重点阐述了应用于数字电视调谐芯片的宽带低噪声VCO的设计实现。本设计采用三个VCO实现全波段覆盖,从而减小对变容管灵敏度的要求,提高相位噪声性能。同时,本设计中采用了一种新型的电荷泵式自动幅度控制(AAC)电路。自动幅度控制电路保证了三个波段的VCO能够快速起振,同时通过调节AAC的控制字,能够调节VCO的输出幅度,从而调整VCO的相位噪声性能,使VCO在各个频点都处于最佳工作点。当VCO稳定工作时,AAC环路断开,因此环路中的模块不会对相位噪声产生影响,这一特性明显优于传统模拟AAC电路。该AAC电路中还采用了一种改进型幅度检测器,它可以和VCO直接耦合并且不受宽带VCO输出共模电平变化的影响,防止了电容耦合带来的外部偏置噪声对VCO相位噪声的恶化。本设计中每个波段VCO都采用了互补交叉耦合型结构。为获得低相位噪声,该电路的各个部分都经过了精心的设计,如交叉耦合管尺寸的选取、尾电流源的设计、片外谐振网络的结构设计和参数选取等。基于以上研究成果,本文设计实现了用于有线数字电视调谐器(DVB-C Tuner)的VCO及CP_AAC模块。本课题的实现都基于特许半导体(Chartered)0.25μm CMOS工艺库,整个调谐芯片在Chartered进行了流片验证。测试结果表明该VCO的调谐范围能够覆盖80～900MHz,全波段相位噪声均低于-83dBc/Hz@10kHz,可以满足64QAM的系统要求。带有该VCO的调谐器芯片已经成功完成了数字有线电视的接收。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景

1.2论题的提出和论文的主要工作

1.3论文的结构

第二章VCO相位噪声理论及讨论

2.1频率非稳定性描述

2.1.1相位噪声

2.1.2时间抖动

2.1.3相位噪声和时间抖动的关系

2.2噪声源

2.3现有相位噪声模型的回顾与总结

2.3.1 Leeson模型

2.3.2 Hajimiri-Lee's模型

第三章低相位噪声CMOSVCO的设计方法

3.1介绍

3.2交叉耦合振荡器的工作原理

3.2.1 LC振荡回路

3.2.2负阻LC振荡器

3.2.3交叉耦合LC振荡器的输出幅度

3.3低噪声LC振荡器的设计方法

3.3.1高Q值无源器件的设计

3.3.2片上电容管的设计

3.3.3 LCVCO核心振荡电路的设计

第四章宽带PLL中低噪声VCO的设计实现

4.1 PLL对VCO相位噪声的影响

4.2宽带低噪声VCO及其AAC环路的总体拓扑结构

4.3 VCO核心振荡电路设计

4.3.1核心拓扑结构选取

4.3.2交叉耦合管的设计

4.3.3尾电流源电路设计

4.3.4片外谐振网络设计

4.4 VCO输出BUFFER的设计

4.5 CP_AAC的电路设计

4.5.1 CP_AAC总体拓扑结构的设计

4.5.2 AAC各模块电路设计

4.6版图设计

4.6.1版图的匹配设计

4.6.2寄生效应

4.6.3噪声耦合

第五章仿真测试结果及分析

5.1 VCO仿真结果与分析

5.1.1 VCO调谐曲线

5.1.2 VCO相位噪声

5.1.3 VCO总谐波失真THD

5.1.4 VCO输出摆幅

5.2测试结果与分析

5.2.1 VCO的测试环境

5.2.2调谐范围测试

5.2.3相位噪声测试

5.2.4总谐波失真测试

5.2.5 VCO输出摆幅测试

5.3结论

结束与展望

致谢

参考文献

研究生阶段发表的论文