应用于小数频率合成器的电感电容压控振荡器设计

摘要

本文介绍了应用于小数频率合成器中的电感电容压控振荡器(LCVCO)设计。 LCVCO设计的主要目标包括低相位噪声，宽调谐范围和低功耗等。其中相位噪声是影响LCVCO性能的关键参数。目前关于相位噪声的理论已发展得较为完善，Hajimiri提出的相位时变模型更是对LCVCO的设计具有深远的意义。本文的主要内容之一是重点研究了线性时变模型的核心--脉冲敏感函数。 小数频率合成器用LCVCO采用全定制、自顶向下的设计方法。通过理论分析，并在比较不同结构LCVCO电路的基础上，基于UMC 0.13μm CMOS RF PDK，设计了一种采用片上集成电感的交叉耦合互补全差分结构LCVCO电路。使用Cadence SpectreRF工具进行电路模拟与电感优化，并完成了版图设计与验证。仿真结果表明：在-25℃～80℃的温度范围内，LCVCO的输出频率范围为1800MHz～1930MHz；工作频率在1800MHz时，相位噪声可达-132dBc/Hz@1MHz。此外由于采用了尾LC谐振回路设计技术，LCVCO的功耗可降至21mW。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

1.1研究背景

1.2文章结构

第二章VCO及频率合成

2.1 VCO

2.1.1 VCO的数学模型(传输函数)

2.1.2 VCO的主要指标

2.2 VCO的静态性能分析

2.2.1反馈系统分析

2.2.2能量补偿分析

2.3 VCO的动态性能分析

2.3.1起振

2.3.2起振时间

2.3.3增益限制

2A VCO设计考虑因素

2.4.1频率范围

2.4.2稳定性

2.4.3调谐范围

2.4.4相位噪声

2.4.5简易性

2.5常见各种VCO电路结构

2.5.1交叉耦合电感电容VCO(Cross-coupled LC oscillator)

2.5.2科尔皮兹VCO(CoJpitts oscillator)

2.5.3环形VCO(Ring oscillator)

2.6频率合成器技术

2.6.1直接频率合成

2.6.2间接频率合成

第三章LCVCO的谐振回路设计

3.1 CMOS工艺中的集成平面电感

3.1.1平面螺旋电感的一阶模型

3.1.2平面螺旋电感的损耗

3.1.3平面螺旋电感的设计原则

3.1.4平面螺旋电感的仿真优化

3.2 CMOS工艺中的集成可变电容

3.3并联RLC谐振回路

3.3.1 Q值

3.3.2谐振时的支路电流

3.3.3带宽与Q值

3.3.4铃振与Q值

第四章相位噪声理论与分析

4.1相位噪声

4.1.1相位噪声对通信系统造成的影响

4.1.2 LCVCO电路中相位噪声的来源

4.1.3 LC谐振回路中信号能量与噪声能量的关系

4.2线性时不变模型-Leeson与Cutler模型

4.3线性时变模型-Hajimiri模型

4.3.1线性时变分析

4.3.2脉冲敏感函数(ISF，Impulse Sensitivity Function)

4.3.3相位偏移与噪声折叠

4.3.4线性时变的相位噪声公式

4.3.5线性时变的重要结论

4.4时域抖动

4.4.1随机噪声与时域抖动的关系

4.4.2相位噪声与时域抖动的关系

4.5品质因数(FOM)

第五章LCVCO的设计

5.1应用于小数频率合成器的LCVCO

5.2 LCVCO的设计

5.2.1电感的选取

5.2.2电容的选取

5.2.3尾LC谐振回路的设计

5.2.4关于尾电流源

5.3正交输出VCO

5.3.1分频法

5.3.2全差分环形VCO

5.3.3 RC-CR网络

5.3.4多相网络

5.3.5正交VCO

5.4开关电容阵列技术

第六章仿真、版图验证和总结

6.1 LCVCO的前仿真

6.2前仿过程与结果

6.2.1瞬态仿真(Tran)

6.2.2直流仿真(DC)

6.2.3周期稳态分析(PSS)

6.2.4相位噪声分析(Pnoise)

6.2.5其它分析(Pushing，Pulling，谐波抑制)

6.3 LCVCO的版图设计

6.4 LCVCO的验证

6.4.1设计规则验证(DRC，Design Rule Check)

6.4.2电路图版图比对(LVS，Layout versus Schematic)

6.4.3寄生参数提取(LPE，Layout Post Extract)

6.5 LCVCO设计参数的横向比较

6.6 LCVCO设计总结

参考文献

发表论文和科研情况说明

致 谢