一种2.4GHz低功耗宽调谐范围LC压控振荡器的设计

摘要

2.4GHz无线技术是一种采用ISM(工业、科学和医学)频段的点对点短距高速通信技术，可以广泛应用在日常生活和工业生产中。现在随着数码产品的兴起，低功耗、高集成度的2.4GHz无线技术的产品应用也越来越广泛。电感电容压控振荡器(LCVCO)是频率综合器的核心组成部分，而频率综合器的性能直接影响到无线收发机的灵敏度和选择性。采用2.4GHz射频技术的无线收发机，本振的输出频率要能够覆盖较宽的频带，同时为了实现便携性，要求芯片面积小、功耗低。因此本文对中心频率为2.4GHz的低功耗宽调谐范围LCVCO进行了研究。
　　 论文的主要工作是基于0.18μmCMOS工艺设计了一个低功耗宽调谐范围LCVCO。论文首先总结了2.4GHz射频技术的发展现状及本课题的研究意义。然后，整理了LCVCO的设计原理，分析了LCVCO的相位噪声理论，并在此基础上对低功耗LCVCO进行了研究与设计。最后对测试结果进行了整理与分析。本论文所设计的LCVCO为互补型交叉耦合对管结构，采用了3组开关电容阵列，将整个频带划分为8个子频带，实现了宽调谐范围。同时，采用了一种低导通电阻的开关结构，提高了开关电容阵列的品质因数（Q值）。宽调谐范围的LCVCO有利于克服工艺偏差与环境影响。另外，本文还对频率调谐单元进行了优化设计，提高了调谐单元的线性范围，从而减小了压控增益的变化，降低了可变电容的非线性效应对相位噪声的影响。
　　 本设计首先使用CadenceSpectreRF工具进行了电路的前仿真、版图设计及后仿真。然后通过国内著名晶圆代工企业—华润上华公司的CSMC0.18μmRFCMOS工艺成功进行了流片。最后对流片后的芯片进行了测试，测试结果表明该LCVCO的频率调谐范围为2.107～2.79GH2,全波段相位噪声低于-95dBc/Hz@IMHz，核心电流小于1mA。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．3 研究内容与设计指标

1．3．1 研究内容

1．3．2 设计指标

1．4 论文组织

第二章 LC VCO设计基础

2．1 振荡器的基本原理

2．1．1 双端反馈振荡器原理

2．1．2 单端负阻振荡器原理

2．2 压控振荡器

2．2．1 压控振荡器的数学模型

2．2．2 电感电容压控振荡器的基本结构

2．2．3 电压受限区和电流受限区

2．3 片上平面螺旋电感

2．3．1 平面螺旋电感电感值的计算

2．3．2 平面螺旋电感的优化

2．4 可变电容

2．4．1 变容二极管

2．4．2 普通MOS管可变电容

2．4．3 反型MOS管可变电容

2．4．4 积累型MOS管可变电容

2．4．5 几种变容管的比较

2．5 相位噪声

2．5．1 LC VCO中的相位噪声来源

2．5．2 振荡器的相位噪声模型

2．6 小结

第三章 LC VCO的结构设计

3．1 宽调谐范围LC VCO结构的选择

3．1．1 开关电容阵列结构

3．1．2 开关电感阵列结构

3．1．3 窄带VCO阵列结构

3．2 交叉耦合对管结构的选择

3．2．1 单一NMOS交叉耦合对结构

3．2．2 单一PMOS交叉耦合对结构

3．2．3 三种结构的比较与选择

3．3 尾电流源的选择

3．4 调谐单元的设计

3．4．1 开关调谐电容阵列的选择

3．4．2 开关MOS管的设计

3．4．3 频率精调单元的设计

3．5 低功耗LC VCO的设计

3．6 小结

第四章 LC VCO的优化设计

4．1 无源元件的选择与优化设计

4．1．1 电感的选择与优化

4．1．2 可变电容与固定电容的选取

4．2 交叉耦合对管参数的优化

4．2．1 起振分析

4．2．2 相位噪声优化分析

4．3 频率精调单元的优化

4．4 尾电流源的优化设计

4．5 输出缓冲级的具体设计

4．6 偏置电路的设计

4．7 前仿真结果分析

4．7．1 VCO的起振和瞬态波形

4．7．2 频率调谐范围

4．7．3 相位噪声

4．7．4 动态电流

4．7．5 VCO电路关断时的漏电流

4．7．6 前仿真与设计指标对比

4．8 版图设计

4．9 后仿真结果

4．9．1 VCO的起振和瞬态波形

4．9．2 频率调谐范围

4．9．3 相位噪声

4．9．4 动态电流

4．9．5 VCO电路关断时的漏电流

4．9．6 前后仿真结果对比

4．10 小结

第五章 测试结果及分析

5．1 测试方案

5．2 频率调谐范围测试

5．3 相位噪声测试

5．4 输出幅度、功耗及漏电流测试

5．5 芯片的一致性测试

5．6 结论

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢