無(wú)線通信用LC壓控振蕩器.pdf

1、無(wú)線通信系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展、個(gè)人數(shù)據(jù)通信的迅速增長(zhǎng)推動(dòng)了低成本、低功耗無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)。同時(shí)集成電路工藝的不斷進(jìn)步，器件特征頻率的持續(xù)提高，也使得無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)中大部分電路的單片集成成為可能。本文主要研究的LC壓控振蕩器是射頻收發(fā)機(jī)前端的核心電路，其作用是在盡可能少引入相位噪聲的條件下為混頻器和分頻器提供本振信號(hào)，其性能優(yōu)劣對(duì)收發(fā)機(jī)系統(tǒng)有很大影響。壓控振蕩器通常作為射頻通信系統(tǒng)上變頻和下變頻的本地振蕩器?，F(xiàn)代通信系統(tǒng)中不斷增加的帶寬需

2、求對(duì)本地振蕩器的振蕩信號(hào)頻譜純度提出了更加嚴(yán)格的要求。為了減小因頻譜不純對(duì)接收機(jī)或發(fā)射機(jī)產(chǎn)生不良影響，要求本地振蕩器具有很低的相位噪聲。另一方面，由于振蕩器是一個(gè)非線性時(shí)變系統(tǒng)，因此對(duì)其進(jìn)行相位噪聲分析是一個(gè)難題。實(shí)際設(shè)計(jì)中通常借助仿真工具進(jìn)行參數(shù)掃描，找出各個(gè)元件值的最優(yōu)組合。但這樣的過(guò)程缺乏理論依據(jù)的支持。 本文采用CMOS工藝和SiGe BiCMOS工藝設(shè)計(jì)應(yīng)用于無(wú)線通信系統(tǒng)的LC壓控振蕩器，并針對(duì)振蕩器的相位噪聲做了比較

3、系統(tǒng)的分析，整理出了一種適用于工程實(shí)踐的優(yōu)化方法。最后在理論分析的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了應(yīng)用于不同無(wú)線通信系統(tǒng)的三塊VCO芯片。文中相位噪聲分析方法是基于Hajimiri提出的線性時(shí)變(linear time variant，LTV)模型進(jìn)行的。LTV模型提供了一個(gè)比較準(zhǔn)確的分析相位噪聲的方法，但存在脈沖敏感度函數(shù)(impulse sensitive function，ISF)不易獲得的問(wèn)題，影響了它的廣泛應(yīng)用。本文總結(jié)出簡(jiǎn)單求解ISF函數(shù)的方法

4、。通過(guò)對(duì)振蕩器電路的一次瞬態(tài)仿真即可得到ISF函數(shù)的數(shù)值解，或者更簡(jiǎn)單地，近似振蕩波型為理想正弦波，通過(guò)正弦函數(shù)得到ISF函數(shù)的解析解。再通過(guò)計(jì)算就可以得到電路的相位噪聲。接下來(lái)將LTV模型應(yīng)用于不同工藝和結(jié)構(gòu)的振蕩器電路，如CMOS振蕩器、雙極性振蕩器、LC差分負(fù)阻振蕩器和Colpitts振蕩器，使相位噪聲的分析有了理論依據(jù)。在相位噪聲的分析過(guò)程中，用變量表示需要優(yōu)化的電路參數(shù)。計(jì)算過(guò)程中使用ISF函數(shù)的解析解，把相位噪聲表示為元件參

5、數(shù)的函數(shù)，完成了相位噪聲的優(yōu)化過(guò)程。由于在相位噪聲的優(yōu)化過(guò)程中通常不需要找到最小的相位噪聲值，而更希望得到以電路參數(shù)表示的相位噪聲函數(shù)的解析式或曲線，本文進(jìn)一步簡(jiǎn)化了線性時(shí)變模型的分析方法，在相位噪聲的計(jì)算過(guò)程中以噪聲載波功率比為函數(shù)，電路參數(shù)為自變量，簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程，得到相位噪聲函數(shù)的解析式并做出函數(shù)曲線，依據(jù)函數(shù)解析式或曲線找到某電路參數(shù)理論上的最優(yōu)值，從而完成優(yōu)化過(guò)程。在此指導(dǎo)下進(jìn)行電路設(shè)計(jì)可以達(dá)到事半功倍的效果。文中具體給出了C

6、MOS LC差分負(fù)阻振蕩器中MOS管寬長(zhǎng)比和諧振腔電感值的優(yōu)化過(guò)程以及雙極性Colpitts振蕩器中電容分壓比的優(yōu)化過(guò)程。 論文第一章介紹了課題背景和壓控振蕩器的研究現(xiàn)狀。由于半導(dǎo)體材料和器件是集成電路電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，本論文設(shè)計(jì)的壓控振蕩器采用CMOS和SiGe BiCMOS工藝。因此，在第二章詳細(xì)介紹這兩種工藝，列舉了兩種工藝的特點(diǎn)和主要器件的參數(shù)指標(biāo)，并分析MOS晶體管和SiGe HBT晶體管的噪聲模型。第三章分析了振蕩器的

7、工作原理，尤其是對(duì)電壓偏置型LC差分負(fù)阻振蕩器和Colpitts振蕩器作了詳細(xì)分析，總結(jié)了這兩類振蕩器的一般分析方法。由于相位噪聲是振蕩器的一個(gè)重要性能指標(biāo)，第四章對(duì)相位噪聲做了詳細(xì)研究。首先分析了相位噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，推導(dǎo)出壓控增益與相位噪聲間的關(guān)系。接著論述了通信系統(tǒng)中相位噪聲與信噪比的關(guān)系以及鎖相環(huán)中的相位噪聲。最后介紹了相位噪聲分析中的常用模型并對(duì)它們的優(yōu)劣進(jìn)行了比較。著重分析了Leeson模型和Hajimiri提出的線性時(shí)變模型

8、。對(duì)于線性時(shí)變模型中沖擊敏感度函數(shù)不易獲得的問(wèn)題，整理出了簡(jiǎn)單實(shí)用的求解方法。通過(guò)對(duì)振蕩器電路的一次瞬態(tài)仿真得到ISF函數(shù)的數(shù)值解，或者更簡(jiǎn)單的近似振蕩波型為理想正弦波，通過(guò)正弦函數(shù)得到ISF函數(shù)的解析解。第五章和第六章將相位噪聲分析方法應(yīng)用于具體的電路設(shè)計(jì)，給出了參數(shù)優(yōu)化的方法，并在電路實(shí)踐中得到驗(yàn)證。第五章采用0.18-μm CMOS工藝設(shè)計(jì)了兩個(gè)電壓偏置型LC差分負(fù)阻振蕩器，應(yīng)用于DVB-T接收機(jī)。設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)相位噪聲進(jìn)行了優(yōu)化。

9、先后將MOS晶體管寬長(zhǎng)比和諧振腔電感值作為設(shè)計(jì)變量，應(yīng)用線性時(shí)變模型推導(dǎo)出相位噪聲與設(shè)計(jì)變量之間的函數(shù)關(guān)系，從理論上給出相位噪聲性能最優(yōu)的元件參數(shù)取值范圍。鑒于優(yōu)化過(guò)程中通常不需要找到最小函數(shù)值，而更希望得到以參變量表示的解析式或曲線，推導(dǎo)過(guò)程中以噪聲載波功率比代替了相位噪聲。為進(jìn)一步簡(jiǎn)化推導(dǎo)過(guò)程，針對(duì)電路特點(diǎn)按晶體管工作狀態(tài)細(xì)分電路工作區(qū)域，這樣避免了大量積分運(yùn)算，盡可能以簡(jiǎn)單的比例形式得到相位噪聲與設(shè)計(jì)變量間的函數(shù)關(guān)系。芯片設(shè)計(jì)在理

10、論分析的指導(dǎo)下進(jìn)行。最后測(cè)試結(jié)果表明，窄頻帶VCO的振蕩頻率范圍為1150～1210 MHz，相位噪聲為10kHz頻偏處-89 dBc/Hz，核心電路功耗7.7 mW，50-Ω負(fù)載阻抗上的單端輸出功率-3 dBm。另一塊寬頻帶VCO的振蕩頻率范圍1173～1900 MHZ，相位噪聲為10kHz頻偏處-83dBc/Hz，核心電路功耗15.8 mW，50Ω負(fù)載阻抗上的單端輸出功率-8 dBm。第六章采用0.35μm SiGe工藝設(shè)計(jì)Colp

11、itts振蕩器，應(yīng)用于ISM(Industrial Scientific and Medical)波段的集群通信系統(tǒng)。設(shè)計(jì)過(guò)程中以相位噪聲為優(yōu)化目標(biāo)，Colpitts振蕩器的電容分壓比作為設(shè)計(jì)變量。雙極性晶體管的指數(shù)率特性使計(jì)算過(guò)程較為繁瑣，文中采用Bessel函數(shù)簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程。對(duì)電路中不同的噪聲源，電容分壓比的最優(yōu)值并不相同，文中分別作了計(jì)算。電路設(shè)計(jì)時(shí)按照各噪聲源的影響大小選擇合適的電容分壓比，使總相位噪聲最小。最后在理論分析的指導(dǎo)