（电路与系统专业论文）基于开关电容调谐的宽带cmos压控振荡器设计.pdf

摘要 摘要 压控振荡器( v o l t a g ec o n t r o l l e do s c i l l a t o r ，简称v c o ) 是锁相环( p l l ) 的重要组成单元，它 在很大程度上决定了p l l 的性能。片上全集成压控振荡器设计是接收机中采用当前c m o s 工艺最具 挑战的部分。在多种射频工艺( g a s e 、s i g e 、b i p o l a r 、c m o s ) 中，c m o s 工艺以其集成度高，低 廉的成本逐渐得到广泛应用，因此，片上c m o sv c o 也成为当前射频领域研究的热点。 宽范围调谐v c o 模块是双变频结构的数字电视调谐器专用芯片中的一个重要模块，由于该芯片 要把电视输入信号( 4 8 m h z 8 6 0 m h z ) 上变频到固定的第一中频( 大约1 2 2 g h z ) ，所以，本课 题设计的v c o 模块必须具有宽带，高性能等特点，而且是一个典型的数模混合集成电路设计。 论文首先简单介绍了片上v c o 设计国内外的发展状况，并提出了论文的设计目标，具体目标 是实现一个输出频率范围为1 2 g h z 2 1 g h z ，相位噪声为一7 7 d b c 1 0 k h z 的宽带c m o s 压控振荡 器。然后论文对开关电容调谐的l c v c o 设计理论进行了详细的分析，包括振荡器工作原理、v c o 性能指标、v c o 常用结构、片上电感和变容管的相关理论、开关电容调谐理论、l e e s o n 和h a j i m i r i 相位噪声模型，相位噪声估计等。 论文重点阐述了本课题的宽调谐范围的v c o 的数模混合电路的实现方案，在方案中，利用了3 个v c o 实现宽范围频率覆盖，每个v c o 内部采用了小变容管与开关电容阵列组成调谐咧路，并利 用数模混合电路实现了v c o 的快速启动控制、v c o 的输入电流自动控制、v c o 开关电容自动切换， 3 个v c o 双向自动转换等关键技术。在电路设计分析完成之后，用c a n d e n c ev i r t u o s o 软件实现r 电路的版图设计，并对版图设计中的一些要点进行了说明，譬如版图的对称性，寄生效应等。最后， 使用s y n o p s i sh s p i c e 和c a d e n c es p e c t r e r f 对电路进行了仿真分析，并结合v e r i l o g - - a 行为级建模 语言实现了数模混合电路验证，给出了各个模块的性能指标。仿真结果表明，在使用小调节范围的 变容管的前提下，使用开关电容调谐结构v c o 能有效拓展了v c o 的频率覆盖范围，3 个v c o 覆 盖范围满足系统的要求，v c o 的相位噪声性能达到了设计要求。另外，本课题的v c o 模块在特许 工艺流片，进行了测试，并把测试结果和仿真结果进行了详细的对比、分析和总结。 关键词：射频集成电路，压控振荡器，调谐范围，平面螺旋电感，变容二极管，开关电容 相位噪声 查塑查兰塑主堂垡堡塞 a b s t r a c t t h ev c o b e i n gt h eh e a r to fa n yp l lb a s e df r e q u e n c ys y n t h e s i z e r ，i t sp e r f o r m a n c ed e t e r m i n e st oa l a r g ee x t e n tt h a to f t h ew h o l es y n t h e s i z e rf u l l yi n t e g r a t e dv o l t a g e c o n t r o l l e do s c i l l a t o r s ( v c o s ) a r eo n eo f t h em o s tc h a l l e n g i n gp a r t so fr a d i ot r a n s c e i v e r st oi n t e g r a t ei ns t a n d a r dc m o st e c h n o l o g i e s t h i si sd u e t o t h em o s ti m p o r t a n ta n dd e m a n d i n gp a r a m e t e r so fav c o ：l a r g ef r e q u e n c yt u n i n gr a n g e ，i o wp o w e r c o n s u m p t i o n ，a n dl o wp h a s e n o i s e ，i nm a n yr f p r o c e s s e s ( g a a s ，s ib i p o l a r , c m o s ) ，c m o s r e p r o c e s s i s w i d e l ya p p l i e dg r a d u a l l y f o ri t sh i 曲i n t e g r a t e dd e n s i t y , l o wc o s t t h e r e f o r e ，c m o sv c o so n c h i pb e c o m e t h eh o t s p o to f r n l a n yr fa p p l i c a t i o n s ， t h ec m o sw i d e b a n dv c od e s i g n e di nt h i st h e s i si su s e di na na s i cf o rd u a l c o n v e r s i o nd i i g i t a lt v t u n e r b e c a u s eu p c o n v e n e ro ft h ec h i pc o n v e r t st h ew i d es l o e e t r n n lo ft v s i g n a l sf 4 8 m h z 8 6 0 m h z ) t oaf i x e df i r s tm i d d l ef r e q u e n c y ，a b o u t1 2 2 g h z ，s o ，o n c h i pv c om u s th a v eq u i t ew i d e t u n i n gr a n g ea n d l l i 曲p e r f o r m a n c e a tf i r s t ，t h i st h e s i si n t r o d u c e dt h es t a t u so f t h ed e s i g no f u n - c h i pv c oa n dt h er e q u e s tw a sp r o p o s e d ， t h eo b j i e c ta c h i e v e sav c o o f t u n i n gr a n g ef r o ml2 g h z t o2 i g h z ，p h a s en o i s ei s - - 8 0 d b c 九 zo f f s e t i o k h z t h e n ，t h et h e s i se l a b o r a t e do nt h ed e s i g nt h e o r yo f t h ev c o b a s e do ns w i t c h e dc a p a c i t o r t u n i n gi n d e t a i l1 1 1 ea n a l y s i si n c l u d e dt h ep r i n c i p a lo f o s c i l l a t o r ，t h es e l e c t i o no f t h et o p o l o g y ，t h ec h a r a c t e r i s t i co f s o m ef r e q u e n t l y - u s e dl cv c o sa n ds o m ed e s i g nt i p so nd e s i g n i n gi n d u c t o r sa n dv a r a c t o r s t h em o d e lo f p h a s e n o i s eo f l e e s o na n d 地j i m i n ，e s t i m a t i o no f p h a s en o i s e ，e t c f i n a l l yt h et h e s i sf o c u s e do nt h es c h e m eo ft h e s w i t c h e dc a p a c i t o rt u n i n g w i d e - t u n i n g - r a n g ev c o ， a n da c h i e v e dt h ed e s i g np a r a m e t e r s ，w h i c hi st y p i c a ld i g i t a la n d a n a l o gm i x e dc i r c u i t s ( a m s ) t h es c h e m e a d o p t e d3v c o b a s e do n3 0s w i t c h e dc a p a c i t o rt u n i n ga n ds m a l ls c a l ed i g i t a lc i r c u i t st of u l f i l lt h et u n i n g r a n g eo f f r e q u e n c y ( 8 0 0 m l - l z ) s o m ei m p o r t a n tt e c h n i q u e si n c l u d e d ：v c oa u t o m a t i cs t a r t u pq u i c k l yv c o i n p u tc u r r e n ta u t o m a t i cc o n t r 0 1 v c os w i t c h e dc a p a c i t o ra u t o m a t i cc o n t r 0 1 3v c oa t u o m a t i cs w i t e h e d a f t e rf u l f i l l i n gt h ec i r c u i td e s i g n ，c a n d e n c ev i r t u o s ow a su s e dt od e s i g nt h el a y o u to ft h ev c o b l o c k , w h i c hw a sf a b r i c a t e dw i t hao 2 5 u r nc m o s p r o c e s sa n d 3 3 vp o w e r s u p p l y i ns i n g a p o r ec h a r t e r e d w a st a p e do u ti na u g2 0 0 3 ，a n ds o m eo u t l i n e sf o rd e s i g n i n gt h el a y o u tw e r ee x p l a i n e d ，f o re x a m p l e ， l a y o u ts y m s t r y , p a r a s i t ee f f e c t a tl a s t ，t h ec i r c u i tw a ss i m u l a t e d b ys y n o p s y sf s p i c e ，n a n o s i ma n dc a n d e u c es p e c t r e r f , v e r i l o g a 1h ec a d e n c ea m s s i m u l a t o ra c h i e v e da n a l o g ，d i g i t a l ，a n dm i x e d - s i g n a ls i m u h t i o n b yc r e a t i n ga n du s i n g m o d u l e st h a td e s c r i b et h eh i g h 1 e v e lb e h a v i o ra n ds t r u c t u r eo f c o m p o n e n t sa n d s y s t e m s t h es i m u l a t i o nr e s u t t si n d i c a t et h a tu n d e rt h e p r e c o n d i t i o n u s i n g t h e s m a l l - t u n i n g - r a n g ev a r a c t o r ， t h ea p p l i c a t i o no f “s w i t c h e d t u n i n g ”h a se f f e c t i v e l yw i d e n e dt h ef r e q u u n c y - e o v e r - r a n g eo f t h ev c o ；t h e p h a s e n o i s e p e r f o r m a n c e o f t h e v c oc a l l a l s or e a c h t h e d e s i g ns p e c i f i c a t i o n w h i l e t h e m e a s u r er e s u l t s e x i s t e ds o m ed i f f e r e n t sw i t hs i m u l a t i o nr e s u l t s ，a n dt h e c o m p a r i s o nw a sh a s e do ns i m u l a t i o n sa n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，w a sd i s c u s s e da sf o l l o w k e y w o r d ：r f i c ，p l a n a rs p i r a li n d u c t o r ，v c o ，v a r a c t o r ，t u n i n gr a n g e ，s w i t c h e dt u n i n g ，s w i t c h e d c a p a c i t o r ，p h a s en o i s e 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：国牟纨 日期：丛坠：! ? ，妒 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：匡l f 宝盐 导师签名：日期：0 柙- f 、 j 牛 东南大学硕士学位论文 第一章引言 本章主要介绍本课题的提出及国内外v c o 设计发展情况，阐述了本课题的主要研究工作，最后介 绍了本文的结构组织框架和实施计划。 1 1 课题的提出 未来l0 年是视像飞跃的时代。无论在家还是户外，或是行驶的汽车里，广播商会提供各种电 视接收互动业务。电视信号不但要满足人们对信息内容和通信的需求，还要满足在工作环境和体闲 娱乐移动接收、无线接收的需求。数字电视是从黑白电视到彩色电视后的又一次“革命”，是中国百 姓对高画质和高音质的不懈追求的体现。随着消费水平的提高和人们对生活品质的不懈追求，越来 越多的消费者把目光投向了数字高清晰度彩电。其实，数字电视是拍摄、编辑、制作、播出、传输、 接收等电视信号播出和接收的全过程都使用数字技术。随着高清晰数字电视( h d t v ) 技术曰趋成 熟，取得了令人鼓舞的成果，数字电视具有十分广阔的市场前景。清华大学数字电视传输技术研发 中心经过自主创新，提出一套具有完整自主知识产权的地面数字多媒体电视广播传输系统。 然而，我国消费电子行业总量虽大，但结构不尽合理，尤其核心技术( 如相关的集成电路设计) 掌握在国外企业手中。因此，为了避免巨大的消费电子市场被国外产品垄断，国家计委确立了h d t v ( 高清晰度电视，数字电视中的一种) 调谐器专用芯片及产品产业化专项，这对推动我国数字电视 调谐器自主知识产权具有相当重大的意义。国家专用集成电路系统工程技术研究中心主要承担了前 端调谐专用芯片的开发和产品产业化的任务。数字电视调谐器专用芯片处于电视接收系统的最前端， 负责把天线接收下来的射频电视信号( 4 8 m h z 8 6 0 m h z ) 下变频到中频电视信号( 3 6 4 4 m h z ) 。 目前数字电视调谐器专用芯片普遍采用双变频结构，即包含了上变频和下变频。由于调谐器芯片的 上变频要产生第一固定中频是1 2 2 g ，因此电视调谐器芯片上变频器的压控振荡器必须能够产生上 变频混频器所需的本振频率。其频率范围是从1 2 6 8 g h z 到20 6 0 g h z 。因此，对于近8 0 0 m h z 宽带 范围的片上全集成压控振荡器无疑是调谐器专用芯片设计的一大难题。本课题的任务就是采用新加 坡特许的0 2 5 u m 、2 p 5 m 、c m o s 工艺实现上述宽带压控振荡器。下面简要介绍一下本课题在该芯 片的地位。 i 1 i 课题在数字电视调谐专用芯片的地位 目前较为成熟的数字电视调谐器专用芯片主要有两种电路结构：1 ) 分频段结构。通过跟踪滤波 器对全射频电视信号滤波，调整该滤波器的中心频率获得所需频道的电视信号，一般滤波器后面会 接三个下变频器，把选中的射频信号降至中频电视信号，这种结构主要缺点是跟踪滤波器的性能很 难提高，而且，分离元件多，不易集成，较为典型的有i n f i n e o n 公司的t u a 6 0 3 0 芯片。2 ) 双变频 结构。通过两次变频得到最后的中频电视信号，首先通过上变频器把射频数字电视信号调到固定的 第一中频( 大约l2 2 g h z ) ，然后再经过下变频器把第一中频信号调到系统所需的中频电视信号，这 种调谐结构不需要性能高的调谐滤波器，有很高的镜像抑制，易于集成，缺点是对相位噪声性能要 求很高、a g c 线性度要高、纹波小、驻波反射强等，目前电子设计的发展是趋向于高度集成化，减 少p c b 上的分离元件，因此目前数字电视调谐器专用芯片普遍采用双变频结构，其结构框图如图1 1 一 塑二皇! l 童 一 r f 4 8 1 2 6 8 2 0 8 0 g h z 图l l 数字电视调谐专用芯片双变频桨构 在图1 1 中，经过低噪声放大器( l n a ) 的r f 输入信号和第一本振信号( l o i ) 同时进入上变 频混频器( m i x e r ) 后，下变频到一个固定中频信号( i f i ) 。由于i f i 是固定的l | 2 2 g h z ，所以， 对于变化的r f 输入信号，上变频混频器要得到相应的l o i 本振信号，并且满足关系式加j 瓠o l 一 屉f 。所以，提供给混频器的v c o 要有很宽的调谐范围( 近8 0 0 1 v f i l z ) 。 v c 0 的最重要的一个性能指标是信号的频谱纯度，通常用相位噪声( p h a s en o is e ) 表示，v c o 的相位噪声性能反映了系统在相邻通道并有强信号存在的情况下检测弱信号的能力。由于相位噪声 不易去除，相位噪声对系统将会产生以下影响： 1 ) 相邻频道和载波之间产生相互干扰，使得输出信号信噪比( s n ) 下降； 2 ) 在数字通信中会增加误码率( b e r ) ； 3 ) 造成处理器发生故障。 v c o 除了相位噪声这一重要参数外，功耗也是v c 0 在系统重要考虑的参数，在实际应用中相位 噪声和功耗是一个折衷的关系。后面章节我们将详细介绍v c 0 的性能指标。 通过本课题对片上宽范围调谐范围的c m o sv c o 的研究，不仅对整个调谐芯片的实现意义重 大，而且可以作为对日后相关射频电路的深入研究和高性能设计的基础工作，具有一定的借鉴意义。 1 1 2 国内外压控振荡器设计的发展状况 压控振荡器是锁相环中的关键部分。顾名思义，它是一种输出振荡频率可通过控制电压进行调 节的一种振荡器。压控振荡器在许多无线、有线接收，数据通信，时钟恢复，频率传输领域中占有 重要的作用，被用来提供精确、稳定的周期时变信号，如：提供给混频器的本振信号、数字电路的 时钟等。 国外早在9 0 年代初就开始对片上集成v c o 进行研究，提出了一系列的关于片上v c o 的较为 成熟的理论。此外，已经研制出了多块集成了v c o 的锁相环专用芯片并已投入批量生产，如 s t 、t i 、i b m 、m o t o r o l a 、p h i l i p s 、n a t i o n a l s e m i c o n d u c t o r 、b r o a d c o m 、m i c r o t u n e 、i n f m e o n 、m a x i m 等许多公司都推出了相关的芯片产品，并已广泛应用于微型计算机、个人通信、网络通信、电视广 播等诸多领域。 片上集成v c o 设计伴随着f o u n d r y ( 芯片代工厂) 工艺提高而飞速发展，经历b i p o l a r 、g a a s 、 s i g e 、c m o s 等工艺。随着c m o s 技术逐渐成熟，集成度高，功耗低，成本低等优势出现，c m o s 工艺将代表未来射频集成电路设计发展的趋势。 我国在射频集成电路领域的研究起步较晚，与国外还有较大差距。目前，我国高校在射频集成 电路研究方面有一定进展，但仍然停留在研究阶段，真正的国产产品并不多见。东南大学射光所2 0 0 0 年成功实现面向高校和中小型企业的m p w 服务，并和国外f o u n d r y 建立良好的合作关系。为了有 效的开展高速和射频集成电路设计，推动设计人才的培养，国家大力倡导和实践无生产线集成电路 设汁理念，高度重视多项目圆片( m p w ) 制造途径的开辟和m p w 服务体系的建设，在工艺渠道的 探索，设计环境的建设，m p w 的学术交流利客户推广以及高速、射频集成电路设计的软硬件环境的 2 东南大学硕士学位论文 建设方面做出了积极的努力，取得了喜人的成果。 1 2论文的主要内容 由于该调谐器专用芯片采用双变频结构来实现调谐功能，调谐器芯片上变频v c o 必须提供从 1 2 6 8 g h z 到20 6 0 g h z 的本振信号。上变频的v c o 是调谐器芯片的一个重要组成部分，不仅体现在 它要提供一个宽范围调谐、高性能的本振频率输出，而且其输出最高频率达到丁2 1 g h z 的高频信号。 另外，本课题主要采用三个基于开关电容调谐的v c o 和小规模的数字控制电路实现宽范围调谐，因 此本课题的数模混合设计是本课题的一大亮点，也是一大难点。 本文首先重点介绍采用开关电容调谐的压控振荡器设计理论，然后在此基础上，提出了解决本 课题的数模混合设计方案，并灵活地使用了s y n o p s y sh s p i c e ，n a n o s i m 和c a n d e n c es p e c t r e r f 、v e r i l o g a 等e d a 软件对所设计的电路进行验证，分析。最后，根据新加坡特许f o u n d r y 提供的2 p 5 m 、 0 2 5 u m 、3 3 v 工作电压工艺，给出本课题的版图设计。 具体实施内容： 1 芯片调研，查阅资料，对比各种现有的调谐器芯片，分析它们的优缺点。 2 对芯片上变频y c 0 的工作原理、电路结构进行详细分析。 3 根据芯片的要求，定义上变频v c 0 的方案，并设计出电路模块。 4 对电路模块进行仿真验证和优化，直至满足设计要求。 5 完成版图及其后仿真，送交流片。 6 芯片测试，数据整理，分析，总结。 1 3 论文的结构 在接下来的章节里，将更深入的描述本课题中的片上宽带v c o 的实现方案。第二章着重讨论基 于开关电容调谐的宽带v c o 的设计理论，包括无源器件理论、v c o 的性能指标、开关电容调谐v c o 的理论、v c o 的相位噪声理论。第三章将根据调谐器芯片的设计要求，确定宽调谐范围v c o 的具 体实现方案以及整个模块的电路结构组成及其版图实现。第四章先给出各个模块优化设计前后仿真 的结果，然后采用行为级建模方法对整个电路进行了数模混合仿真验证，最后，进行了分析、总结。 该课题是一次r f i c 数模混合电路设计，数模混合验证也是本课题的一个重要难点。在论文的结尾， 论文将对本课题的研究工作做一个简明扼要的总结并提出对今后的工作进行展望。 3 东南大学硕士学位论文 第二章基于开关电容调谐v c 0 设计理论 2 1 振荡器的工作原理 从图2 1 的结构上来看，正弦波振荡器就是一个没有输入信号的带选频网络的正反馈放大器。 从能量的角度来说，振荡器是通过自激方式把直流电能转换为特定频率和幅度的正弦交变能量的电 路。 主阿络a 图2 1 正弦波振荡器方框图 正弦波振荡器通常包括有基本放大器、选频网络、反馈网络及其稳幅措施等，其中，放大器和 选频网络组成主网络a 。 2 1 1 平衡条件 对于图2 1 的闭环系统，如果在某个频率上，、，厂和在幅度和相位大小都一致，便有 i 彳f 卜1 ，设a = a 么妒。，f = f 么妒，则可得： i 彳f 卜l ( 2 1 ) 仇+ 妒r = 2 ，z 万，n = 0 ，1 2 ( 2 2 1 我们称式( 2 1 ) 为振荡器振幅平衡条件，而式( 2 z ) 则称为相位平衡条件，这是正弦波振荡器 产生自激振荡的两个条件，即所谓的“巴克豪森准则” 1 r i o 振荡器的振荡频率是由是式( 2 2 ) 的相 位平衡条件决定的，一个振荡器只在一个频率下满足相位平衡条件。实际上，满足平衡条件仅仅说 明反馈放大器能够成为反馈振荡器，但是，没有说明振荡器必定能产生稳定的持续振荡。因而平衡 条件是振荡的必要条件，但不是充分条件，要保证振荡器产生稳定的持续振荡，还必须同时满足振 荡器起振条件和稳定条件。 2 1 2 起振条件 振荡器的振荡自行建立是由于系统在上电复位时，电路中的各个器件存在的扰动而产生的，而 这些扰动指的是器件在上电瞬间引起的电流突变和回路固有的内部噪声。它们的频谱中包括有近似 等于谐振回路的谐振角频率，由于谐振回路的选频作用，放大器对接近谐振频率的分量进行循环放 大，振荡器输出振幅就会不断的增长，直至平衡值。因此振荡器上电后能够从小到大建立振荡的条 件是： f 爿fp 1 ( 2 3 ) 4 东南大学硕士学位论文 谚+ 办= 2 n 乃，z = 0 , 1 ，2 ( 2 4 1 “ j 式( 2 3 ) 为振幅起振条件，而式( 2 4 ) 则称为相位平衡条件。由此町见，一个反馈振荡器要产 生振荡，必须既要满足起振条件又满足平衡条件。如果只满足平衡条件，振荡就不会由小到大建立 到平衡值：反之，如果只满足起振条件，振荡幅度就会无限止地增长下去。 2 1 3 稳定条件 振荡器起振后，内部干扰会引起管子的参数变化，从而破坏平衡条件，以致振荡器停振或者突 变到另外一个新的平衡状态，则表明原来的平衡状态是不稳定的。为了使振荡器产生持续的等幅振 荡，振荡器所处的平衡状态必须是稳定的。 只有在中心频率附近，输出具有随输入增大而减小的特性时，振荡器所处的平衡状态才是稳 定的”“。所以，一个振荡器要产生稳定的正弦振荡，振荡器一定要满足振荡的平衡条件，振荡条件， 稳定条件，三者缺一不可。 2 2 振荡器的性能指标 在研究振荡器的原理之前，我们有必要先总结一下v c o 的重要性能参数。这些参数包括相位噪 声，功耗，灵敏度，环路增益等。 2 2 1 相位噪声 相位噪声是周期信号稳定度的频域表示，它可以看成是各种类型的随机噪声信号对相位的调制 作用。通常情况下，相位噪声指的是单边带相位噪声，用偏离中心载波频率某频率处的单位带宽内 噪声功率谱密度与中心频率的功率谱密度的比值表示，单位为d b c h z ，其计算公式如下： l t o t a t a c o ：1 0 1 0 9 垒赵掣塑 ( 2 5 ) r c e r 其中p 。出h 叽“矿a ，i i - i z ) 为单边带单位带宽内偏离载波信号a m 处噪声功率，单位为 d b m h z ，p 。w 表示载波信号功率，载波功率单位为d b m ，从而得到单边带相位噪声的单位为d b c h z 。 一个理想振荡器输出信号频谱是在中心频率o 处的单根脉冲谱线，然而，实际的振荡器输出函数 是 v 。( 0 = a ( d c o s 珊o t 十妒( f ) 】( 2 6 ) 这里的a ( ，) 和l p 打，是随时间变化的函数。因此，实际的振荡器输出频谱在o 附近有一定 宽度的边带。 关于相位噪声的估计，主要有两种模型：l e e s o n 模型1 1 2 1 , 1 ih a j i m i r i 模型【1 引，其中l e e s o n 模 型是一种线性时不变模型，对相位噪声估计有一定指导意义但不够准确。h a j i m i r i 模型是一种非线 性模型，它运用脉冲灵敏度函数( i m p u l s es e n s i t i v i t yf u n c t i o n ，简称i s f ) 对电路中非线性的、 时变的和周期稳定的各类噪声源进行精确的分析，模型较为复杂，但能考虑到不同的情况，精度较 高，应用较广。 2 2 2 功耗 与其它模拟电路一样，压控振荡器在功耗和相位噪声选择之间是一种折衷关系。通常在实际应 用中，我们要求振荡器的功耗越低越好。然而，我们为了获得更低的相位噪声，通常采用增大v c o 输入偏置电流的方法，即牺牲了功耗来降低相位噪声i “j 。当然，偏置电流也不是越大越好，因为， 随着偏置电流增大，在v c o 的电流限制区，输出摆幅与电流成正比增大，当电流增大一定的程度时 候，v c o 工作在电压限制区，v c o 输出幅度接近v d d ，会导致振荡管不正常工作，所以，v c o 电路一 般都有一个限幅机制，防止v c o 输出幅度过大，一种是利用v c o 电路自身的非线性，另一种是外 加v c o 幅度检测电路形成反馈调节v c o 输入电流。 5 第二章基于开关电容调谐v c o 设计理论 2 2 3 调谐范围 这里指的v c o 的调谐范围是v c o 的变容管的调谐灵敏度，即v c o 的k 值，通常用k 。表示，单 位r a d ( s v ) ，指的是v c o 输出频率由变容管控制电压变化而引起的变化量，用公式表示为： 一。嚣 亿7 ， 式中0 1 , 2 ，l 表示v c o 分别对应于变容管的控制电压等于v 2 和v j 的输出频率。 在通常情况下，v c o 要求有足够宽的调节范围以保证v c o 的输出频率可以覆盖要求的范围，而 且它与整个p l l 的稳定度也有着直接的关系“”。然而，v c o 变容管的调谐范围并不是越大越好，因 为v c o 的相位噪声很大一部分与变容管控制电压线上的噪声关系密切，其输出噪声正比于v c o 的k 值。因此，要使变容管的控制电压产生的噪声效应减到最小，v c o 的k 值必须越小越好，这与所需 的调节范围是矛盾的。所以，在实际使用中要根据实际情况来选择合理的方案来满足设计要求。本 课题的设计要求变容管调谐范围只要在满足覆盖相邻开关电容的频率差的基础上越小越好。 2 2 4 环路增益 这个“环路增益”不同于锁相环的环路增益，在交叉耦合的l cv c o 中，环路增益指交叉耦合管 所能提供的增益。这个增益用来补偿v c o 中的能量损耗并维持v c o 的振荡，环路增益越大，振荡器 越容易起振。在设计中，考虑到在存在温度和工艺变化的情况下为了确保v c o 振荡，一般选择环路 增益至少两倍或三倍于所要求的值，也就是要使交叉耦合管的跨导是谐振回路中所需补偿的导 纳的2 3 倍。g 。a g g k k ，其中g m i 为谐振回路的等效导纳，为超量因子，实际中一般取a g = 2 3 【l6 1 。 除了上述v c o 的性能参数以外，v c o 的输出振幅，调节线性度，中心频率等也是v c o 重要的性 能参数。首先，能达到大的输出振荡振幅是再好不过的，这样使输出波形对噪声不敏感，而且，v c o 的大幅度信号输出有利于提高变容管的线性度j 。振幅的增加可以通过牺牲功耗、电源电压甚至是 调节范围的方法来达到。其次，v c o 的输出频率随变容管的控制电压变化特性表现出非线性，这种 非线性使p l l 的稳定性退化，因此，我们希望在整个调节范围内使k 。值的变化最小，也就是说频 率对控制电压的变化有较高的线性度，才能保证p l l 在调节过程中的稳定性。 2 3 振荡器的种类 片上c m o s 压控振荡器常用的结构主要有环形振荡器、l c 振荡器等几种。 2 3 i 环形振荡器 传统的环形振荡器电路由奇数级且有一定时延的反相器首尾相连组成。每级反相器都有一个负 载电容，以造成输入和输出间的时延。奇数级的时延造成的负反馈使电路产生振荡，其基本振荡周 期为2 t x n 。其中t 为单个门延迟，n 为反相器的个数。同样，如果使用差分放大器作为延时单元 可以使用偶数级实现振荡，只要将其中的一级接成不反相的，改变偏置电流大小，即改变了振荡器 单位延时，从而振荡频率发生改变。 2 3 2 l c 交叉耦合负阻振荡器 l c 型振荡器是一个具有正反馈的放大器，只要环路增益( l o o pg a i n ) 大于1 ，总相移等于3 6 0 度时，此时不需要外界的信号，就能产生一稳定的振荡信号，常见的l c 振荡器有考毕兹三点式振荡 器，l c 交叉耦台负阻振荡器等。其中，l c 交叉耦合负阻振荡器是l c 振荡器应用最广泛的振荡器之 一。下面简要通过数学公式推导来介绍一下它的工作原理。 负阻振荡器是利用负阻器件与l c 谐振回路共同构成的正弦振荡器。负阻器件指的是它的增量电 阻为负值的器件，常见的交叉耦合管就能实现负阻器件。图2 - - 2 是负阻振荡器交流通路原理图。 6 垄壹查兰堡主堂焦堡茎 一 + “ 图2 2 负阻振荡器交流通路原理图 上图中，g 。是谐振回路的损耗电导，一g 。是负阻器件的平均增量负电导。该电路的奇次微分 方程为： cd u + 上j “a f t + u g 。：0 ( 2 8 ) d tlj 。 式中，2 9 。一g 。，当g 一 2 c o o c 时，上式求解结果是 u ( t ) = a e 一矾c o s ( c o t + 痧)( 2 9 ) 式中，a ：9 9 2 c ，泸厮孑，铴：l 面，a 和决定于起始条件黻由 是( 2 9 ) 可见，当g 。 图2 1 0 开关电容调谐v c o 电路图 该类型振荡器是一种典型的l c 交叉耦合型c m o s 压控振荡器，其结构简单，噪声的抑制能力强。 谐振回路采用一对累积型变容管、n 对开关电容阵列组成。交叉耦合负阻管m 3 ，m 4 提供负阻一g 。来补 偿集成电感和可变电容的电阻损耗，从而维持振荡器持续振荡。电流源i r e f ，晶体管m 1 ，m 2 提 供v c o 的输入电流，电流源i r e f 由前级偏置带隙基准电压源产生。在晶体管m l 、m 2 之间 串接的r c 低通网络用来滤除电流源的输入噪声，因为此噪声会经晶体管m 2 放大输入给v c o ，如? 踟，较大，那么m 2 栅极的噪声会成为主要噪声源。开关电容调谐与普通调谐方法相比，增加了多个 开关电容，因此，电容开关设计和调谐回路计算是开关电容调谐v c o 的考虑的重点。 2 4 3 1调谐开关设计 利用开关电容调谐的方法虽然能提高振荡器的调谐范围，但是，整个振荡器的相位噪声会因为 增加的开关管性能影响。于是，开关管设计成为采用开关电容调谐方法设计的一个难点。接下来， 我们详细分析一下n i o s 作开关管的工作情况。图2 一1 1 是n m o s 管三种模型图。 一关 ( a )( b ) 广。开 - 广 l r s 呼u b r 啄 e n i 陛i ： r d ! 图2 - - 1 1 ( a ) m o s 开关符号图形 ( b ) 物理模型图( c ) 等效电路图 在图2 一1 1 ( b ) 中，r 出是n m o s 管的导通电阻，漏端对地的寄生损耗用结点电容c j ，串联电 阻r “b 来表示。当振荡器工作的时候，开关管将处于两种状态：开、关。因此，对于开关电容调 谐的l c 谐振回路，我们得到开关管工作在“开”与“关”的两种谐振等回路的等效电路，如图2 1 2 所示。 1 3 置冒 篁三童茎王翌苤皇查塑堂! 婴塑盐堡堡 ( a ) 开关打开 = ( b ) 开关关闭 图2 1 2 开关调谐谐振回路等效电路 上图中，c 。为整个l c 谐振回路的等效寄生电容。当n m o s 开关打开时，如图2 1 2 ( a ) ， 开 关管导通，其漏端电容直接被旁路接地，开关电容c n ，接入谐振回路，漏端和地接入n m o s 管的导 通电阻r o 。当n m s 开关关闭时，如图2 1 2 ( b ) ，开关管断开，漏端结点电容c f 和开关电容c “x 构成串联接入谐振回路。通过上述可知，不管开关状态是“开”还是“关”，n m o s 管c ，和r 出都对 调谐回路产生一定影响。 我们知道，开关管的品质因素q 可表示为，q = “r 出c j ) ”“，因此，通过减小开关管的漏端 结点电容和导通电阻的方法来提高品质因素，从而降低了开关管对整个调谐的影响。m o s 管的w l 越大r 珈越小，开关电容的q 越大，对v c o 的相位噪声产生附加影响越小，所以l 应取最小值， w 应取较大的值。但是，当w 取值较大时，开关电容等效电容会增大，导致电容q 值降低，调谐 范围减小，从而产生负面影响。根据上面的分析可知，为了保证电路的调谐范围不变同时增加回路 的q 值，必须维持m o s 管的w 不变而l 取器件的最小尺寸。 开关管的工艺上实现可以采用三种结构：普通型、叉指型、环形。实验证明：环形结构的晶体 管漏区面积小，这种晶体管漏端电容比普通晶体管和叉指型晶体管小2 0 左右“，同时，可以在环 形晶体管的基础上利用叉指型的多个并联、短沟道、导通电阻小的优点，能有效提高环形晶体管的 q 值。 2 4 3 2振荡器谐振回路 开关电容调谐l c 振荡器的整个