基于CMOS工艺的电感电容振荡器相位噪声和电流效率研究

摘要

振荡器作为无线通信系统中的最重要的模块之一，担负着频率产生和时钟参考的重要任务。在集成射频收发系统中，振荡器的相位噪声会直接影响到接收机的噪声系数和发射机的误差向量幅度。因此，数十年来，振荡器的相位噪声始终是射频集成电路方向的研究热点。近年来，随着手持移动设备的普及，低功耗电路设计的需求逐年增加。由于振荡器是射频收发系统中的一个高功耗模块，如何实现一个低功耗且低噪声的振荡器成为了研究热点，这推动了振荡器能量效率研究的浪潮。在这其中，振荡器的电流效率，因其和振荡器输出幅度、相位噪声的密切关系，成为一个尤为令人关注的话题。CMOS电感电容振荡器因其在较低功耗下可呈现低相位噪声的优势在通信系统中广泛应用。
　　本文重点研究了电感电容振荡器的相位噪声和电流效率。尤其针对在学术界和工业界使用最广泛的传统B类振荡器，给出了精确的电流效率模型和范围。研究结果表明，在综合性能指标FoM的优化点处，传统B类振荡器的电流效率范围在0.60至0.85之间。这修正了广为使用的假设----电流效率在所有B类振荡器中为2/π。此外，将理论拓展到交流耦合的B类振荡器和C类振荡器。分析显示，两种B类振荡器的电流效率相同，C类振荡器的电流效率在0.85和1之间。详细讨论了电感电容振荡器的相位噪声行为，并将两种线性相位噪声模型与振荡方程联系起来，揭示了其背后的机理。利用线性时变模型的脉冲敏感函数，本文给出了适用于小幅度和大幅度的B类振荡器相位噪声模型。并结合电流效率的分析结果，给出了修正后的FoM的闭环表达式。此外，利用上述分析结果，论文还讨论了一些振荡器设计中的关键技术和概念，这包括电感电容振荡器中尾电容的作用，电压受限区和电流受限区的划分以及B类振荡器和C类振荡器的效率比较等。分析显示，B类和C类振荡器的的主要性能区别在于电压效率而非电流效率。介绍了当前国际上流行的电感电容数控振荡器的一些基本概念，并总结了当前的先进国际研究成果。最后，文中提出了一个基于脱敏尾电容的高分辨率电感电容数控振荡器的新颖的调谐方式。论文给出了尾电容和输出频率之间的敏感度的量化分析，并对尾电容对于相位噪声的影响给出了定性分析。分析和仿真结果显示，如果尾电容设计得当，数控振荡器的相位噪声和分辨率可被同时提高。

目录

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摘要

表格索引

插图索引

第一章 引言

1．1 振荡器及其相位噪声在无线通信中的作用和影响

1．2 振荡器电流效率和相位噪声模型的研究意义

1．3 文章主要创新点

1．4 文章内容概述和结构组织

第二章 电感电容振荡器基础

2．1 RLC二阶谐振腔

2．2 RLC谐振腔的Q值及其意义

2．2．1 Q值与能量

2．2．2 Q值与谐振腔

2．3 负阻和起振过程

2．4 本章小结

第三章 振荡器的电流效率

3．1 振荡器的能量效率及分类

3．2 B类振荡器的电流效率

3．2．1 2／π“理想”电流效率假设及其局限性

3．2．2 电流效率的定性分析

3．2．3 电流效率的定量分析

3．2．4 仿真验证和讨论

3．3 交流耦合的B类振荡器和C类振荡器的电流效率

3．4 电流受限区和电压受限区

3．5 本章小结

第四章 振荡器的相位噪声

4．1 振荡系统中的相位噪声

4．2 常见的相位噪声模型

4．2．1 振荡方程

4．2．2 线性时不变模型

4．2．3 线性时变模型

4．3 B类振荡器的相位噪声

4．3．1 谐振腔噪声

4．3．2 差分对噪声

4．4 尾电容在电流效率和相位噪声中的综合考虑

4．5 B类、交流耦合的B类、C类三类振荡器的比较

4．6 本章小结

第五章 数控振荡器工作原理和研究进展

5．1 数字锁相环与数控振荡器

5．2 数控振荡器的基本工作原理

5．2．1 变容二极管特性和数控振荡器的设计思想

5．2．2 数控振荡器的频率调谐原理

5．2．3 数控振荡器的工作模式

5．3 数控振荡器的工作模式

5．3．1 改变电容接入位置

5．3．2 新的变容二极管对结构

5．4 本章小结

第六章 基于尾电容的高分辨率数控振荡器设计

6．1 尾电容在B类数控振荡器中的作用

6．1．1 尾电容的缩小效应

6．1．2 设计尾电容改善相位噪声

6．2 电路验证、实现和仿真结果

6．3 设计总结

第七章 总结和展望

7．1 论文工作总结

7．2 振荡器研究未来展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果