毕业设计（论文）-CMOS振荡器的设计.doc

苏州大学本科生毕业设计（论文）苏州大学学士学位论文 学科专业：微电子学 姓 名： 指导老师：苏州大学电子信息学院2014年5月目录摘要4Abstract5第一章 绪论61.1研究背景61.2选题的目的和意义71.3压控振荡器的研究现状71.3.1关于片上电感和可变电容71.3.2关于噪声理论以及降噪技术81.4本论文的内容结构9第二章 LC振荡器的基本工作原理102.1振荡器的简述102.2反馈理论102.2.1巴克豪森准则的介绍102.2.2振荡器的平衡条件122.2.3振荡器平衡状态的稳定条件122.3负阻理论132.3.1负阻振荡器的起振条件132.3.2负阻振荡器的平衡条件142.4一些常见的振荡器152.4.1环形振荡器152.4.2LC振荡器16第三章 关于2.4G压控振荡器的设计方案183.1VCO的基本原理以及性能参数183.2VCO设计中的器件的选择193.2.1电感的选择193.2.2电容的选择203.2.3MOS管的选择213.2.4电路结构的选择21第四章 2.4GHz的LC压控振荡器仿真234.1电路结构的选择234.2瞬态仿真曲线234.3频谱分析曲线244.4相位噪声的仿真曲线254.5电路的版图26总结28参考文献29致谢30摘要振荡器是一种不需要提供外加的信号激励，单凭自身就能够将直流的电能转换为交流电能的一种装置。只要是能够达到这一功能的装置都可作为振荡器。对于压控振荡器而言，它是通过直流电压的施加，运用电压控制产生振荡波形的模块，它是时钟模块的重要组成部分。本论文的绪论部分首先介绍了压控振荡器的研究背景，选题的目的，研究的意义等。接着谈论到振荡器的分析方法以及一些常见的振荡器。然后谈论了本次设计中一些器件的选择以及器件参数的选取。最后本文采用了台积电0.18umCMOS RF工艺设计了一个2.4G的LC压控振荡器。并对所得的仿真参数进行了分析。在仿真之后，得到了振荡器的谐振频率为2.434GHz,激励电压为1.8v时的输出幅度1.16v，在100kHz的频偏下相位噪声为-89.88dBc/Hz，在1MHz频偏下相位噪声为-115.6dBc/Hz。在1.8v电压下功耗为9mW。最后画出了电路改进后的版图。本文所涉及到的关键字：振荡器，压控振荡器，片上螺旋电感，可变电容，中心频率，相位噪声。AbstractThe oscillator isdoes not need externalsignal excitation,oneself canthe DCpower intoAC powerdevice.As long as thedevice canachieve thisfunctioncan be used asoscillators.ForVCO,it is through theDCvoltage,thevoltage controlledoscillationwaveformmodule,it is an important part ofthe clock module.This paperfirst introduces the backgroundof the voltage controlled oscillator,the purpose,the significance of the study.Thentalk about theanalysis methodof oscillator andsome commonoscillator.Selectionand talk aboutsomeof the devicedesignand the choice ofdevice parameters.Finally,this paperadopts theTSMC 0.18umCMOSRF processto design a 2.4GLC voltage controlledoscillator.Andthe simulationparameters on the resultinganalysis.In thesimulation,theresonant frequency of the oscillatoris 2.434GHz,the output amplitude1.16v excitationvoltage is 1.8V,thefrequency offsetin the 100kHzphase noise is -89.88dBc/Hz.at 1MHzfrequency offset,phase noise is -115.6dBc/Hz. Under 1.8V voltageand power consumption is 9mW. Finallydraw theimproved circuitlayoutThis paperrelates to thekey word: oscillator,voltage controlled oscillator,on-chip spiral inductor,capacitor,center frequency,phase noise.第一章 绪论1.1研究背景在过去的20年里，CMOS技术已经迅速地包括了模拟集成电路领域，因而提供了低成本，高性能的CMOS产品，这些产品已经一跃而上主宰了市场。对于今天混合起来的复杂的信号系统，CMOS技术无疑已经是一种最好的选择。近年来，在技术方面模拟电路得到了迅速的发展，包含几十个晶体管的那种用来处理小的连续时间信号的高电压且大功耗的模拟电路，如今已经逐渐被低功耗且低电压的系统所代替，然而这些系统通常由几千个器件组成，并且他们能够处理大的，多数是离散的时间信号。随着集成电路技术的发展，电路集成度越来越高，功耗越来越大，于是低功耗的CMOS技术便日益显示出其优越性。随着人们对CMOS工艺的研究越来越深入，发现CMOS技术相比于其他工艺更适合按比例缩小原理。正如摩尔定理预测的那样，每块芯片上晶体管的数目会每18个月翻一翻。MOS管的沟道尺寸也从最初的25um下降到如今的0.18um。芯片在物理尺寸上的缩小使得它比以前具有了更高的性价比。并且等比例缩小还提高了CMOS器件的速度。据报道称：如今0.18um的CMOS工艺的N沟道晶体管的截止频率已经达到了60GHz。CMOS工艺在模拟集成电路设计方面的应用表现出的优点是显而易见的:如今可以在单块芯片上面，利用CMOS工艺来集成一个完整的收发器系统。也就是说，在同一芯片上既集成模拟电路中的前端器件，如调制器；又集成后端器件，比如说数字解调器。如果我们采用BiCMOS工艺来实现同样功能的芯片，不仅在模拟电路部分所需要的芯片面积会增加，同样的，还需给数字电路部分预留更大的芯片空间，这样一来必定增加了在芯片生产过程当中的复杂性，并且在资源上面会消耗更多的硅晶圆。在最近的一些年里，无线通信系统以及宽带接收机得到了迅猛的发展，特别是一些小型的掌上无线设备（例如移动电话，无线对讲机，GPS定位仪）的普及，使得在射频中芯片的前端设计向小型化，低成本，低功耗等方向发展。对于不断发展的COMS工艺技术而言，越来越多的射频电路单元，如低噪声放大器，上/下频混频器，中频滤波器，本地振荡器，功率放大器等都能够集成到一块COMS收发芯片上。此外，对于基带信号的处理，特别是数字信号处理中，早就已经能够在COMS工艺上实现。因此在COMS工艺上就有可能使得从前端到后端的整个无线通信系统得以实现。1.2选题的目的和意义伴随着飞速发展的无线通信技术，射频以及无线通讯方面的市场越来越受到人们的关注。射频中的压控振荡器（VCO）对于频率的产生源是必不可少的一部分。由于锁相环作为射频前端的时钟回复和产生电路的重要部件，因而它在无线通讯系统中被广泛的应用。然而VCO又作为锁相环当中重要的组成部分，因而它在手机通讯，卫星通信，基站，雷达，制导系统，军事通信系统，光发射机等系统中被广泛应用。因此在近些年来，VCO被学术界广泛的关注并在研究上投入了大量的精力。在无线收发系统的所有基本电路单元之中，COMS工艺集成的利用电容电感作谐振腔的压控振荡器（LC-VCO）是最近一些年中受到关注最多的射频电路单元，对于压控振荡器的一些最重要的技术指标要求就是低相位噪声，低功耗，高性能，宽调谐范围等。一般而言，我们通常利用品质因数高的片上螺旋电感以及大电容系数比（Cmax/Cmin）的累积型MOS可变电容来实现的压控振荡器，一般是在COMS工艺的硅衬底上实现一种高性能压控振荡器的最好选择。但是伴随着电路集成尺寸的不断缩小，集成电路将占用的芯片空间将越来越小，功耗要求也将越来越低，性能要求将不断提高，这也将给压控振荡器的设计过程中带来了更大的挑战。1.3压控振荡器的研究现状1.3.1关于片上电感和可变电容随着晶体管的问世，很快地晶体管便取代了电子管成为振荡电路的有源器件。特别地，变容二极管对VCO起着重要的作用，它是通过改变可变电容的大小从而调节VCO的振荡频率。从而它被广泛地运用在射频的压控振荡器的谐振电路里面。CMOS工艺中可变电容一般分为四种结构，他们分别是：PN结电容，普通的MOS电容，反型MOS电容以及累积型MOS电容。对于PN结电容是把一个P+有源区坐在N阱上，这样便实现了一个P+到N阱的结电容。然而另一种可变电容是使MOS管工作在不同的区域从而改变电容的大小。片上螺旋电感最基本的要求是要具备较高的品质因数。对于片上电感的品质因数一般受三种寄生效应的影响：1、高频时金属线的高频趋肤效应和邻近效应引起的电阻增加；2、金属对硅衬底产生的寄生电容降低了自激振荡频率；3、磁场在硅衬底中产生的涡流会降低电感值，并且增加了串联电阻的损耗。为了能够提高电感的Q值，通常我们将多层金属并联来降低串联电阻；用地屏蔽层来降低电场在衬底上的损耗等等。这种电感电容压控振荡器经过优化片上电感，可变电容以及MOS管的参数，选用合适的电路结构之后，能够使得压控振荡器在相位噪声，功耗，调谐范围等指标上达到一个较好的结果。因而在当今被广泛研究应用。1.3.2关于噪声理论以及降噪技术对于振荡器的输出信号而言，在理想的情况下应当是一个纯净频谱的正弦波，但是往往在实际应用当中，电路中会有各种噪声，并且温度和电源电压的不稳定都会对输出的波形产生不同的影响。于是输出信号的振幅，相位，频率等都会发生变化，这样一来，输出信号就会在波形上发生畸变，从而在中心频率附近会产生两个带状的频谱。这种带状的频谱就是相位噪声。（左边：理想振荡器的频谱 右边：实际振荡器的频谱）图1-1 理想振荡器和实际振荡器的输出频谱图一般情况下，相位噪声在VCO中会影响接收机的灵敏度。这些噪声的引起一般是由于片上电感的Q值不高，从而有串联电阻。由幽怨以及无源器件引起的白噪声。在频移较大时的1/f 噪声；以及电路中的相位噪声。我们常用的计算相位噪声的方法有两种:1、将振荡器等效为一个线性时不变系统；2、将噪声源整体看成是一个冲击电流源，然后观察它输出的相位响应。一些代表性的降低噪声的技术：噪声滤波技术，闪烁噪声降低技术。一些优化相位噪声的方法：在设计集成VCO时，增加片上电感的Q值，增大VCO的输出功率，在输出波形的峰值处补偿VCO的能量以及利用对称的电路结构等方法来优化相位噪声。1.4本论文的内容结构本论文的结构分为了4章。第一章介绍了该课题的研究背景，选题的目的和意义，该课题当今的研究现状，以及简单介绍了电路中的噪声理论。第二章介绍了LC压控振荡器的基本原理，其中包含了振荡器的分析方法等。第三章将阐述如何实现一个2.4G压控振荡器的设计。将成为本论文的核心的部分。第四章将对设计的电路进行仿真与分析。第二章 LC振荡器的基本工作原理2.1振荡器的简述振荡器在大部分电子系统中扮演着重要的角色，它的应用范围相当广泛。从微处理器中时产生时钟信号到蜂窝移动电话中合成调制所需的载波。一般地，压控振荡器经常被用在锁相环电路中，而锁相环作为一种反馈电路被用来进行时钟回复和时钟产生电路中。在各自的应用领域中，要求的结构以及性能参数也各有差别。这使得在CMOS工艺中来设计一个高性能的并且能稳定工作的振荡器变得更加困难。振荡器的特点就是利用外加直流电源向输出端产生一定频率与功率的交流信号。这当中有2个重要的特点：一是振荡器只加了直流电压，但是输出的是频率和功率一定的信号。这表明了电路中的信号是从无到有的，再从有到大的一个过程。二是振荡器最后会达到一个频率功率稳定输出的状态，这表明了信号产生之后会向一个稳定的状态转变，并一直保持这样的状态。以上三种状态对应着振荡器中起振，平衡以及稳定三种状态。这三个工作状态在我们对振荡器进行分析的时候起着至关重要的作用。下面我们将介绍分析设计振荡器时常见的两种理论，他们分别是：反馈理论以及负阻振荡理论。2.2反馈理论2.2.1巴克豪森准则的介绍对于一个振荡器而言，要使其产生一个周期性的信号，通常这个信号是电压形式的输出，并且电路在没有输入的情况下不断的输出。为了使电路能够振荡起来我们如何才能做到呢？我们都知道的，通过一个负反馈系统有可能实现振荡，这便关系到一个反馈系统中能够起振的条件。图2-1 负反馈系统在上图中的反馈系统中，输入信号Vin与输出信号Vout叠加之后通过一个基本的放大器，对放大器的传输函数是H（w）,通过计算，我们得出该反馈系统的闭环增益为： （2-1）这时，如果放大器的输出高频的时候产生了过大的相移，那么就会使得整个反馈变为正反馈了，于是振荡就可能会产生。当s=jw时，如果H(jw)=-1的话，那么环路的闭环增益将趋近与无穷大。这时产生的相移为180。这时由于经过180的反向后，反馈的信号与输入的信号相位相反，振幅相同， 经过2个信号的相减，反而使得原理的信号变得更大，这便为电路的起振提供了必要的条件。为了能够振荡起来，我们需要使电路的闭环增益大于等于1。现在我们将输出表示成输入的函数： （2-2）由高等数学的只是我们知道，当|H(w)|1时，输出的结果是一个发散的信号，只有当|H（w）|1的情况时： （2-3）这样才有可能时信号在振荡之后趋于稳定。总的来说，我们可以总结出负反馈电路中环路的闭环增益需要满足的2个条件是：（1） 环路的整体闭环增益必须大于或者等于1；（2） 负反馈必须产生180的相移。这便是著名的“巴克豪森”准则。2.2.2振荡器的平衡条件对于振荡器接通电源起振之后，它输出的信号是一个很弱的信号，开始有瞬变电流产生，这瞬变电流的频带很宽，但由于谐振回路的选择性，只选出了本身谐振频率的信号，由于正反馈的作用，谐振频率越来越强，当起振条件被满足后，信号便会不断地得到增强。从而形成稳定的振荡。那么信号将会无限地被这样放大么？显然答案是否定的。它不可能无限地增长，当达到一定数值之后，便自动稳定下来，信号将最终保持一种输出频率和功率都稳定的状态。这两种稳定的状态可表示为： （2-4）这就是振荡器的平衡条件，用幅度和相位来表示： （振幅平衡条件） （2-5） ，n=0,1,2 （相位平衡条件） （2-6）2.2.3振荡器平衡状态的稳定条件在上面所讨论的振荡平衡条件只能说明振荡能在某一状态平衡，但是还不能说明这个状态是否稳定。平衡状态只是对振荡器建立起振荡的一种必要条件，但还不是它的充分条件。对于那些已经建立的振荡要看它能否维持下去，我们还必须看它所处的平衡状态是否稳定。我们通过下面2个简单的例子来分析一下稳定平衡与不稳定平衡是怎样的一种概念。图2-2 平衡状态的两种变化趋势如图中小球在2种情况下都处于平衡状态，当电路中稍微存在一个小干扰时，左图中的小球将永远不可能回到原来的状态，处于一种不平衡的状态。然而右图中的小球经过一段时间过后，还是能够恢复到原来的平衡状态。因此，对于振荡器的稳定平衡，是指在外因的作用下，振荡器在平衡点附近寻找并建立新的平衡状态，一旦外因消失后，振荡器又能够自动地由新的平衡状态恢复到原来的平衡状态。放大器的传输函数一般而言，既是频率的函数，又是电压幅度的函数。我们用H（v,w）来表示其传输特性。经过观察软自激的振荡特性曲线图，电压在平衡点附近变化时，都将产生回到平衡点的趋势。由数学推导： （2-7）当满足上式时，无论电压如何变化，都会产生回到平衡点的趋势。这当中V。为平衡点的电压值。综上所述，得到振荡器的稳定条件是： （2-8） ，n=0,1,2 （2-9）2.3负阻理论在负阻理论中，我们通常所说的负阻振荡器是什么？它就是把一个具备负阻特性的有源器件与谐振回路直接相连接起来，然后利用负阻器件来抵消谐振回路中正阻的损耗，并利用剩余的负阻提供并转化能量来产生自激振荡的振荡器。首先介绍一下什么是负阻，在电阻的I/V曲线上，斜率的倒数V/I为正，呈现正电阻特性，表示R上电位降方向与电流方向相同，对外界表现为吸收电源的功率。如果V/I为负，呈现出负阻特性。这是电阻R不但不消耗电源的功率，相反，这个电阻相当于发电机一样，反而向外界提供输出功率。由此我们可见，正电阻是用来消耗功率的，负电阻是用来产生功率的。值得注意的是，正负电阻都是针对交流来说才有意义。并且，负电阻提供的能量是由其他的能量转换而来的，而不是凭空产生的。2.3.1负阻振荡器的起振条件图2-3 负阻振荡模型如图所示，我们将振荡器看成一个负阻网络，在负载网络当中，包含了等效的L和C。于是我们根据电路列出回路电流方程： （2-10）求解方程后，当时，解得方程的特征解为：，（其中）。当振荡器起振的时候，信号的幅度越来越大，这就需要，这样i才会不断变大。由此可见，振荡器的阻止必须为负值，并且它的绝对值要大于负载的阻值，这样一来才能使整个系统的阻值呈现为负值，整个系统就相当于一个负阻，会不断地向外输出功率。这便是负阻理论中振荡器的起振条件。2.3.2负阻振荡器的平衡条件当振荡器呈现负阻，且绝对值大于负载电阻时，振荡器开始起振，其中信号的幅度会越来越大，当增加到一定限度时候，负阻的值会受一些因素的影响而变小，这样就会使得振荡器达到一个稳定的状态。参考上图，振荡器和负载组成一个回路。在稳态时，回路的电流为，忽略电流的谐波分量并取其实部。得负阻两端电压： （2-11）振荡器两端的电压： （2-12）并使得他们相等，即。由三角函数的正交性得： （2-13） （2-14）这就是负阻振荡器的平衡条件。关于振荡器的稳定条件我们在这里不做详细讨论。由振荡器的实际的设计经验我们了解到，振荡器的阻抗是输出信号的主要特征，其中阻抗的实部决定输出功率，虚部决定输出频率。所以我们一般再设计振荡器的时候，关注起振条件和平衡条件就可以了，一般情况，当这2种条件满足的情况下都可以向稳定状态过渡的。2.4一些常见的振荡器经过介绍了分析和设计振荡器的两种常用的理论之后，下面我们将介绍一下当今一些常见的振荡器。一般的，我们从振荡器的结构出发可以把振荡器大致地分为环形振荡器和LC振荡器。下面就这2种振荡器我们进行一些简单的介绍。2.4.1环形振荡器在我们所碰到的振荡器类型中，环形振荡器是比较常见的一类。它主要是由环路中的若干增益级电路组成。在单级反馈电路中，由于它的最大相移是270，无法满足振荡的相位条件，因而无法起振。当电路中包含多级电路后，也就是有多个极点后，振荡就有可能发生，环形振荡器正是利用这样的原理来发生振荡的。环形振荡器常常被应用与高频领域，它的基本单元一般是反向器或者差分对。下面通过一个三级环形振荡器来说明其原理。图2-5 三级环形振荡器模型对于一个反向器而言，能够产生180的相位差，在负反馈系统中，为了能够满足“巴克豪森”准则中的相位条件，环路中反向器的个数至少要有3个，并且反向器的个数必须为奇数。当这样的环形振荡器满足“巴克豪森”准则后，就能够起振。对于上面这个3级环形振荡器来说，我们来考虑它的周期。当信号输入之后，如果在每个反向器上面的延时为t，那么经过6t的时间之后，这个信号又将回到原来的状态。这样我们可以推算出N级反向器构成的回路所产生的频率为： （2-15）一般在实际设计环形振荡器时，采用3到5个反向器级联起来就能够达到比较好的效果了。2.4.2LC振荡器在过去的一些年里，单片的电感以及出现在CMOS工艺中了，使得基于无源谐振原件的振荡器成为可能。我们在研究这种振荡器之前，首先来了解一下LC回路的基本特性。 图2-6 LC振荡回路左图是一个理想情况的LC回路，而右图则是我们实际遇到的情况。在理想情况时，当LC回路谐振的时候，。于是我们得到振荡器的谐振频率为： （2-16）这种情况是忽略了电感以及电容中所包含的串联电阻的。在实际的情况下，我们必须考虑电容电感的串联电阻。于是： （2-17） （2-18）将他们并联之后得到的总阻抗为： （2-19）在实际电路中，我们通常把寄生电阻忽略，化简上式得： （2-20）所以总的阻抗模值的平方： （2-21）当的时候，阻抗能够取得极值，使其LC回路发生谐振。第三章 关于2.4G压控振荡器的设计方案在上面的文章中都是对振荡器的分析原理以及振荡器的类型进行了一些简单的介绍，在下面的内容中，我们将讨论如何实现一个压控振荡器的设计。对于压控振荡器来说，它是一种在外加固定电压时产生固定的频率的信号的装置，理想的压控振荡器的频率随着外加电压的变化而变化，并且期望这种变化是线性的。一般的，VCO是运用电压控制产生振荡波形的模块。它是时钟模块的重要组成部分，几乎是所有模拟系统以及混合系统中所必备的电路模块。本章首先讨论VCO的基本原理是利用外部电压实现对振荡频率的可调节，其性能参数主要包括振荡中心频率、调节范围、调节线性度、输出振幅、功耗、电源与共模抑制比、输出信号纯度等等。3.1VCO的基本原理以及性能参数在许多时钟产生的应用中，大多数振荡器是要求频率可调的，也就是输出频率是控制输入的函数，这个控制输入一般情况就是电压。对于一个理想的压控振荡器而言，通常情况下它的输出频率是输入电压的线性函数。一般我们用W。来表示V=0时的截距，用Kvco来表示电路的增益或者是灵敏度。对频率可达到的范围W1-W2我们称为调节范围。一个理想的压控振荡器的输出曲线图中，通常描述了VCO的六个重要组成部分：振荡器中心频率，电压控制范围，电压调制线性度，压控振荡器增益，最高以及最低输出频率。对于一个理想VCO，首先查分输入级通常是一个差分跨导器，其优势在于比单端输入有更加的共模抑制比。它将输入电压信号转换为电流，并提供一个差分到单端信号的转换。一个好的跨导器是增益级的核心部分，起信号放大的作用。在实际中，一个低阻抗的负阻，需要一个输出缓冲级将运放较大的输出阻抗调整下来，从而使得信号顺利输出。这里设置直流偏置的作用是能够为晶体管在工作时提供一个合适的静态工作点。相位补偿电路用来稳定运放的频率特性。VCO的主要的一些性能参数：1、中心频率2、调节范围3、调节线性度4、输出振幅5、功耗6、电源与共模抑制比7、输出信号的纯度。3.2VCO设计中的器件的选择压控振荡器的设计包括电感、电容和MOS晶体管的选择以及电路结构设计两大部分，本节就这两部分进行讨论。本次设计采用台积电0.18umCMOS RF工艺设计一个LC压控振荡器，其设计指标如下：1、供电电压：1.8v。2、中心频率：2.4G。3、相位噪声：-110dBc/Hz。4、功耗：10mW。3.2.1电感的选择最常用的平面螺旋电感通常由一层或多层四边形螺旋金属连线组成，一般可采用边形结果。对于相同的电感值，多边形结构或者圆形结构相比于四边形结构具有更好的优势，因为他们具有较好的Q值。一般比较理想的是正八边形的电感。 图3-1 常见电感的形状螺旋电感有以下几个参数：线宽W，线间距S，内径R以及圈数N。（1） 电感随线宽的变化规律：当频率在3GHz以上时，过宽的金属条不但对电感值不增加，反而会增大电阻。此外，趋肤效应也会有一定的影响。（2） 电感随内径变化的规律：在低频时，内径大Q值低；高频时，内径小Q值高。这是因为内径增加使得线的总长增加，导致了损耗增加，从而Q值降低。（3） 电感随线间距变化的规律：这个间距越小越好，间距大了会增加互感。（4） 电感随圈数变化的规律：圈数越大，电感值越大，损耗也增加。随着圈数的增多，电感的面积也将增大，这会引起更大的损耗，从而Q值也会降低。本次设计所采用的电感参数：工作频率 /GHz2.5电感值/nH2.18373品质因数Q6.63909K参数-1.306e-54自谐振频率/GHz15.5936最大尺寸/um3473.2.2电容的选择为了综合出多个需要的频段，VCO的输出必须在一定范围内可调。我们可以通过调节偏置电流、调节电感值或者调节电容值。一般而言，调偏置电流变动范围不大；调节电感值会恶化相位噪声；调节电容值不仅能够得到足够的调节范围，不会直接恶化相位噪声。而且供我们选择的集成电容很多。他们主要分为两大类：MOS型可变电容和二极管型可变电容。（1） 反型MOS可变电容：它是把MOS管源漏极连接起来，便看成是一个两端器件，这个两端器件就可以看成是一个电容，采用从强反型到耗尽层这段电容变化范围。在强反型时电容值和质量因子都是最高的，因为这时反型层具有高导通性；在耗尽层时电容值最小，但有一个很高的Q值。MOS电容值的变化发生在一个很小的电压范围内，而且是非线性的，这使得VCO增益很大。图3-2 MOS变容管剖面图（2） 累积型MOS可变电容：它实际上是一个带有N阱的NMOS，它的工作范围是从耗尽层到深累积层。选择NMOS是因为它的多子是电子，电子的迁移率较高，这样可得到较高的Q值。（3） P+/N结二极管：外加反偏电压时，它工作在反型区，运用P+扩散区和N阱之间的耗尽区电容作为可变电容。当振荡器电压幅度较大时，PN结可变电容会出现正偏，这样会降低振荡器的品质因数。因此选择MOS可变电容作为调谐电容。（4） 本次设计采用的电容参数：Model NameMoscap_rfGroup4Fingers25Width2.5umLength500nm3.2.3MOS管的选择本次电路的主体结构为耦合差分结构，由上面一对P管（Mp1、Mp2）和下面的一对N管（Mn1、Mn2）构成，在管子尺寸的选择时应当注意一下几点：（1） 满足振荡所需要的负阻条件；（2） 满足上下管相互匹配的条件，通常P管和N管面积的比值为2:1；（3） 满足上下管子跨导相等的条件。电流源采用偏置电压的N管作尾电流源。在差分输出端我们还可以接一个反相器做缓冲器，这样可增大输出能力，另外也可以防止外界的噪声干扰。本次设计所采用的管子参数：L（nm）W(um)FingersMMp1、Mp21806201Mn1、Mn21803401Mn01000510013.2.4电路结构的选择本次电路结构的选择参考了如下电路：图3-3 LC互补型交叉耦合电路本次电路结构的选择中，这是一个互补型压控振荡器，在自己仿真的时候，本人将上图中的固定电容和可变电容都用2个可变电容来调节，电感则采用了使用了上面表中的参数。第四章 2.4GHz的LC压控振荡器仿真4.1电路结构的选择本实验采用了前面所提到的CMOS压控振荡器LC差分结构，其仿真的电路图如图所示：图4-1 LC交叉耦合电路原理图在本电路结构中，我们可以通过在模拟环境下设置了几个端角的电平值：电源VDD=1.8v，地GND=0v，控制电压Vc=0.9v，偏置电压Vbias=1.4v。4.2瞬态仿真曲线图4-2 VCO的瞬态仿真图经过对电路的瞬态仿真之后，我们可以看出我们所设计的振荡器能够良好地起振，这是LC压控振荡器工作在中心频率时的瞬态仿真图。振荡器在电源1.8V的供电电压下输出差分信号的幅度达到了1.16v。将瞬态仿真图拉开，测量出输出信号峰峰值之间的时间差约为0.411ns，即中心振荡频率约为2.4GHz。4.3频谱分析曲线对瞬态仿真产生的波形通过傅里叶变换进行频谱仿真，下图是频谱仿真图：图4-3 VCO中心频率图图4-4 VCO频谱分析曲线图上图是LC振荡器工作在中心频率附近时的频谱曲线图，从图上我们看出，中心频率在2.434GHz处，当然，输出信号中也存在一定的谐波分量。这些谐波分量通常是由于噪声而引起的，对于这些谐波分量，我们是要尽可能避免的。4.4相位噪声的仿真曲线图4-5 VCO相位噪声仿真图在LC压控振荡器中，其中一个重要的参数指标就是相位噪声。一般而言，我们对相位噪声在频移100kHz的地方和1MHz进行仿真和测量。由仿真结果可以看到，相位噪声在频偏100kHz时达到了-89.88dBc/Hz,在频偏1MHz处达到了-115.6dBc/Hz。综合上述的仿真结果所得的参数，我们可以看到所设计的振荡器是符合技术指标的。4.5电路的版图在本次设计绘制版图的过程中采用了如下改进后的电路图：图4-6 改进后的VCO电路原理图根据上面的电路图绘制出相应的版图：图4-7 VCO电路版图射频电路的工作频率一般都在GHz 范围，在高频下，芯片实现的过程中所必然出现的各种寄生效应以及衬底耦合效应将对电路产生极大的影响。在版图的设计过程中，不仅要遵循一定的工艺规则，而且还要注重许多细节。在版图设计过程中，不仅要使芯片面积占用的最小，而且要避免许多寄生效应，例如：串扰，失配，噪声等。版图设计应该考虑的一些因素有：版图的布局，电容寄生效应，衬底串扰噪声等。（1）版图的布局在版图进行布局时，我们要尽可能使射频信号输出端的走线长度短，而且还要注意器件与器件之间的距离，比如，片上电感与MOS管的距离要远一些，而且电感与电感之间的距离要大于一定的值。我们还要注意到版图的对称性，对称性的设计可以有效的抑制共模噪声和非线性效应。在本论文中，电路的版图都尽可能采用了对称性设计。（2）电容寄生效应在射频模拟集成电路设计中，VCO是频率很高的一个部分，因此要求的寄生电容寄生电阻越小越好，因为寄生电容会降低整个VCO尤其是振荡回路的Q值，这样VCO性能下降。所以在版图设计中，要采用各种方法减小寄生效应。比如信号线，较长的并行信号线会产生寄生电容，我们可以在不同的金属层上走线，这样可以减小寄生效应。总结通过本次毕业设计，我对CMOS工艺下的LC振荡器有了从理论到实际上的认识，从之前单一地学习书本上上的理论，到独立自主地完成一个振荡器的设计，我从中受益匪浅。这种把理论知识和实际设计操作结合到一起的学习方法，使得我不仅对专业上的基础知识得到了巩固与升华，并且在实际解决工程问题上的能力得到了很大的提升。这让我不仅对振荡器的原理有了一定的掌握，而且让我熟悉了Cadence这款电路设计软件。同时也提高了我收集文献资料，电路知识理论的学习能力，以及电路图的绘制与仿真方面的能力。在不断的探索与学习过程中，逐渐地培养出我坚持不懈的品质。遇到困难时，能够独立自主地分析问题，并且向老师以及同学寻求帮助。在本次毕业设计中，虽然遇到了许许多多困难，也走了不少弯路，但这