用于6GHz射频通信系统的VCO及VGA设计

摘要

无线通信事业的快速发展对射频接收机提出了更高的要求,因此对于射频接收机的研究越来越多。锁相环(PhaseLockedLoop,PLL)和自动增益控制(AutomaticGainControl,AGC)两个环路构成了射频接收机的核心模块。PLL环路为射频接收机提供变频所需的本振信号,AGC环路为基带模数转换器提供恒定的信号幅度,因此它们起着非常重要的作用。压控振荡器(VoltageControlledOscillator,VCO)是PLL环路中产生指定频率信号的关键模块,直接决定了PLL环路能否锁定;可变增益放大器(VariableGainAmplifier,VGA)是AGC环路中不可或缺的模块,它的性能决定了AGC环路能够处理的输入信号的动态范围。因此,在某种程度上VCO和VGA性能的好坏决定了射频接收机能否正常工作。
　　 本课题采用TSMC0.13-μmRFCMOS工艺设计了一种低相位噪声宽带LCVCO。本课题简单介绍了振荡器的基本原理以及LCVCO的设计方法;详细分析了VCO的相位噪声模型,并总结了几种常用的相位噪声优化技术。本课题设计的VCO采用互补交叉耦合型结构;利用三组差分开关电容阵列将整个调谐范围划分为八个子频带,实现了宽带覆盖;采用两个噪声滤波网络以优化VCO的相位噪声性能。在片测试结果表明,VCO的调谐范围为5.35～6.41GHz;在振荡频率5.488GHz上,1MHz频偏处的相位噪声为-113.3dBc/Hz;在1.2V电源电压下,电路总功耗为9.3mW。
　　 本课题同样采用TSMC0.13-μmRFCMOS工艺设计了一种高增益范围宽带VGA。本课题讨论了AGC环路的基本工作原理及VGA在其中的作用;系统地归纳了VGA的主要结构,并详细分析了CMOS工艺下实现指数函数的方法。本课题设计的VGA的可变增益单元以共源共栅放大器为基础,同时实现了可变增益和指数特性;利用电感峰化和电容中和技术以扩展带宽;采用双反馈直流偏移消除电路以减小VGA整体的直流失调。后仿真结果表明,VGA的dB线性增益范围达到69.7dB(-4dB～65.7dB);3dB带宽达到600MHz;在1.2V电源电压下,电路总功耗为9.8mW。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 VCO及VGA的研究现状

1．2．1 VCO的研究现状

1．2．2 VGA的研究现状

1．3 研究内容及设计指标

1．4 论文组织结构

第2章 VCO基本原理分析

2．1 振荡器的基本原理

2．1．1 反馈分析法

2．1．2 负阻分析法

2．2 VCO概述

2．2．1 VCO的种类

2．2．2 VCO的性能参数

2．2．3 片上螺旋电感

2．2．4 可变电容

2．3 相位噪声

2．3．1 相位噪声的定义

2．3．2 相位噪声与抖动的关系

2．3．3 相位噪声的影响

2．3．4 相位噪声模型

2．3．5 相位噪声优化技术

2．4 小结

第3章 低相位噪声宽带VCO设计

3．1 VCO的总体结构

3．2 VCO电路的具体设计

3．2．1 谐振腔中电感的设计

3．2．2 交叉耦合对管的设计

3．2．3 开关电容阵列的设计

3．2．4 可变电容的设计

3．2．5 噪声滤波网络的设计

3．2．6 缓冲电路的设计

3．3 版图设计

3．3．1 高频电路的版图设计规则

3．3．2 VCO版图设计

3．4 VCO仿真结果分析

3．4．1 前仿真结果

3．4．2 后仿真结果

3．5 VCO芯片测试

3．5．1 芯片测试方案

3．5．2 测试结果

3．5．3 测试结果分析

3．6 小结

第4章 VGA基本原理分析

4．1 AGC概述

4．1．1 前馈型AGC

4．1．2 反馈型AGC

4．1．3 环路建立时间

4．2 VGA的分类

4．3 VGA的性能参数

4．4 VGA结构概述

4．4．1 闭环结构的VGA

4．4．2 开环结构的VGA

4．5 CMOS工艺下指数函数的实现方法

4．5．1 基于寄生BJT

4．5．2 基于弱反型区MOSFET

4．5．3 基于伪指数函数

4．6 小结

第5章 高增益范围宽带VGA设计

5．1 VGA的总体结构

5．2 VGA电路的具体设计

5．2．1 可变增益单元的设计

5．2．2 固定增益单元的设计

5．2．3 直流偏移消除单元的设计

5．3 VGA版图设计及仿真结果分析

5．3．1 版图设计

5．3．2 仿真结果分析

5．4 VGA测试方案

5．5 小结

第6章 总结与展望

6．1 关于VCO

6．2 关于VGA

致谢

参考文献