（微电子学与固体电子学专业论文）片上lc压控振荡器的研究和设计.pdf

摘要 摘要 近几年无线通信系统的蓬勃发展推动了低成本、低功耗c m o s 无线收发机的研 究与开发。同时c m o s 工艺技术的不断进步，使得无线收发机系统中大部分单元电 路，如低噪声放大器( l n a ) ，混频器( l i x e r ) ，本地振荡器( l o c a lo s c i l l a t o r ) 以及中频滤波器( i ff i l t e r ) 等都能够集成在单片电路上。随着片上无源器件( 片 上电容和电感) 的实现，使得电感电容振荡电路( l co s c i l l a t o r ) 单片集成成为 可能。l c 压控振荡器是当今模拟射频集成电路甚至是数字集成电路重要的组成部 分。例如在w l a n ，g p s 等无线收发系统的锁相环电路，在c p u 系统中时钟产生器 等等重要的电子系统，l c 压控振荡器都扮演及其重要的角色。 本论文首先系统论述了片上l c 压控振荡器的基础理论，包括振荡器的分析方 法，l c 压控振荡器的电路形式，经典线性时不变相位噪声理论以及片上无源器件。 然后基于这些l c 压控振荡器的基础理论，提出了l c 压控振荡器的设计方案，这 种设计方案的主要特点是将l c 压控振荡电路分割成无源损耗谐振电路和有源补 偿电路，然后将两部分电路进行参数设计，使有源补偿电路能够对谐振电路补充 足够能量，那样谐振电路就能持续地振荡下去。另外，在本文的设计分析中，采 用了线性时变分析法而不是经典的线性时不变相位噪声理论对振荡器的丰日位噪声 进行研究以及指导电路的设计。 根据本文提出的l c 压控振荡器的设计方案，我基于c h a r t e r 2 5 u mc m o s 射频 混频信号工艺进行了l c 压控振荡器的电路以及版图的设计。在电路设计以及前 端仿真时，我采用的是安杰伦( a g i l e n t ) 的a d s 仿真器，这是因为a d s 的仿真是 在频域上进行的，仿真速度特剐快，而且使用很灵活。但是c a d e n c e 的v i r t u s o 和s p e c t r e r f 在版图设计以及后端仿真上面的功能很强大，所以电路版图设计及 后仿我都采用c a d e n c e 仿真工具。 本文实现l c 压控振荡器电路的前端电路设计、仿真以及后端电路版图设计和 后仿真。另外，本次l c 压控振荡器设计的直流供电电压电路采用了二阶温度补偿 的带隙基准源电路i p ，该电路是作者一篇发表论文中提出的一种新型的带隙基准 源电路，相比较传统的一阶温度补偿带隙基准源电路，它能够实现二阶的温度补 偿，从而提供更加精确的温度稳定系数。 本文提出的l c 压控振荡器的设计方案思想以及基于先进的设计工具所作片 上【。c 压控振荡器的包括无源元件和有源电路的电路设计、版图设计以及前后仿 真，已经实现了除流片之外的全部设计工作。前仿的结果显示，在3 v 工作电压条 件f ，中心振荡频率为1 8 6 h z 的l c 振荡器，其调节范围为0 2 v 所对应的输出 华南理1 人学硕士学位论文 频率为1 6 8 g h z 1 8 4 g h z ，压控增益为i o o m i i z v ，相位噪声仿真结果为 1 1 d b c l o o k h z 和一】3 4 d b c 1 m h z 。 关键词：l c 压控振荡器，片上螺旋电感，变容器，相位噪声，二阶温度补偿。 a b s t r a c t a b s t r a c t f h e e x p l o s i v eg r o w t h i r iw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sh a sd r iy e n u n i v e r s i t i e sa n dc o m p a n i e st op r o d u c ew i r e l e s st r a n s c e i v e r sa tl o w c o s t 1 0 w p o w e r ，a n dc o m p a c ts iz e r e c e n t l y ，a 1 1o f r fc o m p o n e n t s ，s u c ha s l o wn o is ea m p l i f i e r s ( l n h s ) ，m i x e r ，l o c a lo s c i l l a t o r s ( l o s ) ，a n di f f il t e r s s e e mp o s s i b l et ob ei n t e g r a t e di nc m o ss c a le dt e c h r i o l o g y o n c hip p a s s i v ee l e m e n t ss u c ha ss p i r a li n d u c t o r sa n dv a r a e t o r sm a k eo n c h i p i m p l e m e n t a t i o no fl c t a n kv o l t a g e c o n t r o l l e do s c i l i a t o r s ( v c o s ) e a s y l c v c oi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t si nr f ，a n a l o ga n de y e nd i g jt a li c f o re x a m p le ，l cv c oisw i d e l ya p p i e di np l l so ft r a n s c e i v e r si nw l a na n d g p s o ri t i sa l s o u s e di nt h ec l o c kg e n e r a t o r si nc p u i nt h et h e s i s ，t h es e v e r a lp r i n c i p l e so fm o n o li t h i cl cv c oa r es t u d ie d ， i n c l u d i n gt h ea n a l y z i n gm e t h o d ，c i r c u i tt y p e s ，l e e s o n st h e o r yo fp h a s e r i o is ea n dp a s s i v ed e v i c e s b a s e do nt h e s ep r i n c i p l e s ，ia d v a n c et h en o v e l s c h e m eo fl cv c od e s i g n a n dt h ec h a r a c t e r is t i co ft h i sd e s i g n i n gs c h e m e ist od i v i d et h el cv c oi n t oap a s s i v er e s o n a t o ra n da c t i v ec o m p e n s a t e d c i r c h i t ，w h i c hc o m p e n s a t ew h a tap a s s i v er e s o n a t o rw a s t e s a n dt h i sm a k e t h ew h o l el cv c oo s c i l l a t i n gu r i c e a s i n g ly w h a tism o r e ，is t u d yt h e 1 0 v e l t h e o r yo fp h a s en o i s e ，l i n e a rw i m ev a r i a n ta n a l y z i n gm e t h o d ，i n s t e a do f l e e s o n st h e o r yo fp h a s en o is e a n dih a v eu s e dt h is 1 0 v e lo n eo r im yd e s i g n o f l cv c o a c c o r d i n gt ot h es c h e m eo fl cv c od e s i g n ih a v ew o r k e do nt h ef r o n t e n d c i r e u i ta n db a c k e n dl a y o u t d e s i g na b o u ta nl cv c o a 1 t h isw o r kisi n t h e0 2 5 u mt e c h n o l o g yf i l e so fr f m i x e ds i g n a lo f f e r e db yc h a r t e rf o u n d r y f u r t h e r m o r e ，ia p p l i e da d s ( a g i l e n t ) s i m u l a f o ri nf r o n t - e n ds i m e l a t i o n b e c a u s ea d si sq u i c ka n df l e x jb l ei n ：f r o n t e n ds i m u i a t i o nw h i l etu s e d v jr t u s oa n ds p e c t r e r f ( c a d e n c e ) i nl a y o u ta n db a c k e n ds i m u l a t i o hb e c a u s e c a d e r l c ee x c e l si nt h e s e t h ist h e s i s i m p l e m e n t sn o to n l yt h ef r o n t e n do i r c u i td e s i g na n d s i m u l a t i o nb u ta l s ot h el a y o u td e s i g na r i db a c k e n ds i m u l a t i o r i i na d d i t i o i 7 t ot h o s e ，im a k eu s eo fa ni po fas e c o n d o r d e rc u r v a t u r e c o m p e n s a t e dc m o s b a n d g a pv o l r a g er e f e r e n c e ，w h i c hi sf r o me r i eo fm yp a p e r sp u b lis h e d 1 t i i i 华南理t 大学硕士学位论文 jsad o v e lc i f e n i ts t r u c t u r ea n di tc a np r o v i d em o r ep r e c i s ev o lr a g e r o f e r e n c e ih a v e d o n ea l1 _ t h ew o r ke x c e p tt a p i n go t ti nt h ist h e s i s ，i i c lu d in g t h ei d e ao ft h es c h e m eo fl cv c od e s jg n ，t h ef r o n t e n dsi m u l a t i o na n dt h e b a c k e n ds i m l l l a t i o nw o r k a n dt h ef r o n t e n ds i m u l a t i o nr e s a l t ss h o wt h a t t h el cv c od e s i g n e djnt h et h e s i sh a sac e n t r a lo s c i l f a t i n gf r e q u e n c y1 8 0 h z t u n i n gr a n g ef r o m1 6 8 g h z t o1 8 4 g h z ，k l o o m i l z va n dp h a s en o is e lt 1d b c 1 0 0 k h z 一i 3 4 d b c 1 m h z k e yw o r d s ：l cv o l t a g ec o n t r o l l e do s c i l l a t in g ( l cv c o ) ，s p i r a li n d u c t o r o i lc h i p ，v a r a c t o r ，s e c o n d o r d e rt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：确，奇休 日期：) 口。_ f 年g 月g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密翻。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：骼奄秫 剔程名暂秀币二 日期：加r 年6 月8 日 日期：o 可年月萝日 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 无线通信系统和宽带接收机的迅速发展，特别是手提无线设备( 如无绳电话， 对讲机、g p s ) 的普及，使得射频前端芯片设计向小型化、低成本、低功耗等方向 发展。c m o s 工艺技术的不断进步，是越来越多的射频单元电路，如低噪声放大器、 上厂f 频混频器、中频滤波器，本地振荡器，功率放大器等等，能够集成到单片 c m o s 收发芯片上。另外，加上基带信号处理，尤其是数字信号处理，早已能够在 c m o s 工艺上实现，因此有可能在c m o s 工艺上实现从前端到后端的整个无线通信 系统。 _ 一一塑幽l 一一- 图1 1 射频接收机电路( a ) 商用分立元件电路( 包含d s p )( b ) 单片接 收机电路( 不包含d s p ) f i g 1 t ：r fr e c e i v e ti n t e g r a t i o n ( a ) c o m m e r c i a l l y i m p e m e n t e d m u l t i c h i pa p p r o a c h ( i n c l u d i n gd s p ) ( b ) s i n g l e c h i ps o lu t i o n ( w i t h o u t 单片c m o s 实现的无线接收机是近几年学术界研究的热点问题。例如， b e r k e l e y 的p a u lr g r a y 的“用于无线电话的1 9 g h z ，宽频中频，两次变频接 收机”项目“3 ；u c l a 的a s a da a b d i 研究的“在l u mc m o s 工艺上实现的、单片 扩频无线接收机”- “；以及目前比较热门的g s m ，d e c t ，b l u e b o o t h ，w l a n 等接 哐甄寸固刊到绺盹 西蕊 图1 2 传统超外差接收机的结构图 f i g1 2c o n v e n t i o n a ls u p e r h e t e r o d y n er e c e i v e ra r c h i t e c t u r e 收系统。个人无线通信设备的迅猛发展导致了各种各样不同的通信协议标准的产 华南理 。大学硕士学位论文 生，如表1 1 所示。商业上最为常用的是经典的超外差接收器结构。如图1 2 所 示，这种接收机采用多种不同的工艺例如前端射频部分采用砷化镓，中频滤波采 用b jp o l a r 而基带处理器则采用c m o s 工艺。射频信号首先通过分立的射频滤波器 去除频带以外的能量和抑制镜像信号；低噪声放大器在信号到达另一个镜像抑制 滤波器之前将信号放大；射频频率综合器将放大之后的信号混频成为中频信号， 中频信号再次通过中频滤波器，然后与另一个中频频率综合器混频之后的基带信 号传到基带信号处理器。 在c m o s 工艺上设计低成本、完全集成的射频收发机芯片的最大挑战之一就 是设计产生本机振荡信号的频率综合器电路。频率综合器通常是由锁相环来实现， 锁相环反馈回路中的n 分频使得输出信号频率是参考时钟频率的n 倍，因为参考 时钟由片外的频率较低的低噪声石英晶体振荡器提供，所以频率综合器的噪声特 性由压控振荡器的噪声特性所确定。也就是说，为了设计出噪声性能很好的频率 综合器，必须采用高品质因数的压控振荡器电路。在无线收发机的所有单元电路 中，c m o s 全集成的电感电容谐振压控振荡器( l c v c o ) 是在近六七年问的学术界和 工业界研究中得到关注最多的射频单元电路。压控振荡器最重要的指标要求是低 相位嗓声、低功耗、宽调谐范围等。采用高品质因数的片上螺旋电感和大电容系 数比( c m a x c m i n ) 的累积型m o s 可变电容实现的压控振荡器是在c m o s 硅衬底e 实现高性能压控振荡器的最佳选择。 现在学术界和工业界存在各种各样的关于片上l c 压控振荡器的设计方法，但 是都没有达到一种统一的最优的设计方案。本文基于将l c 压控振荡器分割成无源 损耗谐振电路和有源补偿电路的思想，提出一种片上l c 压控振荡器的方案。并且， 根据仿真器的不同特点，分别选择了a g il e n t 的a d s 仿真器和c a d e n c e 的v i r t u s o 和s p e c t r e r f 对片上l c 压控振荡器的前端电路和后端版图进行设计仿真。本文章 另一个研究点就是l c 压控振荡器的相位噪声模型。自从l e e s o n 提出的经典线性 时不变相位噪声模型至今已经有四十年的历史，工程上大多数都采用这种线性时 不变噪声模型对振荡器的相位噪声进行估算和优化。而本文所研究相位噪声是基 于线性时变方法的，对l e e s o n 的经典线性时不变相位噪声模型的不足进行有利的 补充。而本文设计结果也显示，我在论文中提出的l c 压控振荡器的设计方案是简 单可行的，而且基于线性时变的相位噪声模型的l c 压控振荡器的确也提高了相位 噪声的性能。 1 。2 电感电容压控振荡器的研究现状 振荡器电路的实现方式主要有两种：电感电容谐振振荡器和环形振荡器。环 形振荡器的振幅比较大，但其开关非线性效应很强，使得它受电源地的噪声影响 2 第一章绪论 很明显。虽然环形振荡器也能够工作到l - 2 g h z ，但是由于其相位噪声性能比电感 电容谐振振荡器差很多，故而在1 0 t l z 以上的振荡器很少采用环形振荡器结构。 1 2 1 片上电感和可变电容 电感电容谐振压控振荡器的电路结构来源于印刷线路板( p c b ) 上采用分立器 件实现的振荡器电路，早期它们大多采用分立的电感，电容及分立三极管器件。 有源器件( 三极管和m o s 管) 非常适合于硅工艺集成，然而电感和可变电容面的集 成临巨大的挑战。早期半集成化的压控振荡器很多都采用键合线( b o n d w ir e ) 电感 ( 如图1 3 ) 来实现高q 值电感，并采用反偏二极管的p n 结电容来实现压控可变电 容。随着c m o s 工艺的不断进步，金属互连线层数的不断增加，基于片上螺旋电感 的电感电容压控振荡器被广泛采用。 图1 3 键合线电感 f i g u r e1 3b o n d w i r ei n d u c t o r 片上螺旋电感最主要的问题在于品质因数不是太高，一般n h 级的电感在 1 2 g h z 频率上的q 为4 8 。片上螺旋电感的品质因数主要受到三种寄生效应的影 响：第，金属线的高频趋肤和邻近效应造成串联电阻的急剧增加；第二，金属 对硅衬底的寄生电容降低了电感的自激振荡频率；第三，磁场在硅衬底中形成的 涡流降低了电感感值，且增加了串联损耗电阻。为了能够提高工作频段上的电感 的q 值，近十年间许多人提出了很多解决办法，例如，采用多层金属并联降低串 联电阻；地屏蔽层减小电场在硅衬底上的损耗：差分电感等等。 可变电容作为可调单元广泛用于射频的压控振荡器的谐振电路中。在c m o s 工艺上实现可变电容主要有四种结构：p n 结电容，普通m o s 管电容，反型m o s 管 电容和累积型m o s 管电容。p n 结电容是在n 阱上做一层p + 有源区，从而实现一 个p + n w e l l 结电容；另外一类可变电容的实现方法是利用m o s 管。1 ：作在不同 的区域( 强反型区、耗尽区和累积区) 从而改变电容值。根据m o s 管的源极( s ) ，漏 极( d ) 以及衬底( b ) 的不同连接方法，使得m o s 管的电容可以分成三神不同的情况。 电感电容压控振荡器的两个基本无源器件的片上实现问题得到基本解决后， 接着需要解决的问题是选择合适的电路结构，优化片上电感、可变电容和m o s 管 的尺寸参数，使得压控振荡器在相位噪声、功耗以及调谐范围等性能指标上达到 3 华南理工大学硕十学位论文 个最优结果。另外，具有正交输出的压控振荡器的设计也是。个研究热点。 1 2 2 相位噪声理论和降噪技术 振荡器一个至关重要的参数就是相位噪声，理想振荡器的频谱是位于单一频 率上的脉冲。但是对于任何一个实际的振荡器，它的频谱是分布在中心频率以及 谐振频率周围的能量谱而并非是脉冲，如图i 4 。这些分布在振荡频率周围的能 量就是相位噪声。 p o w e r d e l l 血v 图1 4 实际振荡器频谱 f i g1 4p r a c t i c a lo s c i l l a t o rs p e c t r u m 为了能够更好的了解相位噪声的负面影响，我采用了简单接收器工作原理进 行说明。如图1 5 ，射频接收机希望接收一个射频信号，而它的旁道有一个比较 l o 图1 5 相位噪声造成的信噪比降低 强的干扰信号存在，本地振荡的相位噪声会将旁道的强的干扰信号也调制到中频， 因此降低了中频信号的信噪比( s n r ) 。我们称之为r e c i p r o c a lm i x i n g ，这种现 4 第一章绪论 象限制了相邻频道的距离“1 。同样地，对于发射器来说，相位噪声导致了有用信 号的能量泄漏。 大多数情况下，压控振荡器的相位噪声性能是影响集成接收机灵敏度的最主 要的因素。理想的正弦波的频谱是一个脉冲函数，但是由于实际电路中存在噪声， 振荡器输出的信号频谱特性都有一定程度的相位噪声。电感电容压控振荡器的噪 声主要来源于低q 值片上电感中的串联电阻，开关差分对管和尾电流源。电路中 的有源和无源器件的白噪声，在频偏较大的频率上产生1 f 2 特性的相位噪声；而 闪烁噪声在频偏较小的频率范围产生1 f 3 特性的相位噪声。相位噪声对射频信号 的混频非常不利，很大的相位噪声会将很强的邻近干扰信号混频到信道中，造成 信号频谱的阻塞现象，从而降低了信道中的信噪比。 在电感电容压控振荡器研究的不断深入的过程中，个具有指导性的噪声理 论一一振荡器相位噪声产生机制和计算理论，也渐渐得以完善，该理论研究的突 破为设计低相位噪声提供了理论上的指导。 从振荡器的单个噪声源计算相位噪声特性主要有两种方法：第一种相位噪声 理论由r a z a v i 等人提出，他们将振荡器等效为一个线性时不变系统：第二种方法 是a l i a j i m i r i 等人在线性相位时变系统的假设条件下，将噪声源看作为一个 冲击电流源，观察输出的相位响应函数。前一种方法在频偏较大的频率上的计算 比较准确，但不适合频偏较近的上1 f 3 特性区域：后一种方法由于采用了谐波的 互相混频调制的机制，因此在整个区域上都比较准确。 随着对压控振荡器的相位噪声产生的物理机制的渐渐认清，许多人提出r 大 量降低相位噪声的方法，其中最具代表的技术是噪声滤波技术，闪烁噪声降低技 术。这些技术的采用使得在c m o s 工艺实现的压控振荡器的相位噪声特性能够做到 与双极工艺相当，甚至能够与分立器件相媲美。 1 3 论文研究的主要内容 本论文对电感电容压控振荡器的理论和实现以及相关的相位噪声理论进行了 系统的分析和研究。首先在第二章详细的讨论了片上l c 压控振荡器的基本原理， 包括了l c 压控振荡器的分析方法和经典相位噪声理论。接着第三章主要讨论了片 e 无源器件电感和变容器，指出了片上电感高频寄生效应以及模型和变容器的种 类。第四章主要是基于第二章的l c 压控振荡器的单端能量补偿分析法所提出的设 计方案。第五章则是基于此设计方案下的l e 压控振荡器的前端仿真和后端仿真结 果，前仿的结果显示，在3 v 工作电压条件下，中心振荡频率为1 8 g h z 的振荡 器，其调节范围为0 2 v 所对应的输出频率为1 6 8 g h z 1 8 4 g h z ，压控增益为 】o o m h z ，相位噪声仿真结果为l1 l d b c l o o k h z 和一1 3 4 d b c l m i t z ，表明了这一设计 5 华南理工大学硕士学位论文 方案的可行性，并且基于线性时变的相位噪声模型设计出相位噪声性能很好的振 荡器。最后，总结了本次设计的成果并提出了对l c 压控振荡器的后续研究的展望。 6 第二章l c 振荡器相关理论 第二章l c 振荡器相关理论 振荡器是许多电子系统的重要单元之一，例如：晶体振荡器，微处理器的时 钟产生电路和无线接收机中的本机振荡电路。晶体振荡器的频率比较低，一般在 1 0 m h z 以下，但其相位噪声( p h a s en o is e ) 和相位抖动( t 【m i n gj i t t e r ) 可以做得 很好。微处理器时钟产生电路的频率一般从几m h z 到2 - 3 g h z ，该电路通常要求有 很大的频率调节范围，相位噪声要求一般都比较低。无线接收机中的本振振荡电 路的相位噪声要求一般都比较高，例如g s m 接收机中的本机振荡器的相位噪声要 求6 0 0 k h z 频偏时达到一1 2 7 d b c 。目前商用的g s m c d m a w l a n 等无线接收机的频率 调酱范围比较小，2 0 左右( 一般在5 0 2 0 0 m h z 范围) 。对于像数字电视调谐器( t v t u n e r ) 等宽频带接收机系统要求调谐范围达到5 0 ( 1 g h z 一2 g h z ) 。这样对于压控振 荡设计来说，就存在许多需要解决的关键技术：低噪声，宽调谐范围，低功耗等 等。对于不同性能要求的系统，压控振荡器的类型和电路结构也不同。 本章将首先简单介绍振荡器的基本原理和l c 压控振荡器。接着将针对经典相 位噪声理论对l c 振荡器的相位噪声问题进行论述。最后讨论l c 振荡器中片| = = 无 源器件的问题。 2 1 振荡器的基本原理 振荡器就是在只有直流电源供电的情况下，产生周期变化的电压信号的电路。 通常情况下，任何振荡器都可以看作是一个双端负反馈系统，或者是一个单端能 量补偿系统。环形振荡器( r i n g o s c i l l a t o r ) 和电感电容谐振回路振荡器( l c t a n k o s c i l a t o r ) 是目前运用晟最广泛的两种振荡器。环形振荡器是将奇数个反相器 串联形成一个回路，其振荡频率受倒相器延时的控制。电感电容谐振回路振荡器 是电感与电容相并联或者串联产生谐振，其振荡频率可以由电压控制变容器来实 现。环形振荡器的频谱特性一般比电感电容谐振振荡器要差，但是电感电容振荡 器受到无源器件( 片上电感和可变电容) 的品质因数的制约。在实际应用中，往往 根据分析的方便，环形振荡器采用双端负反馈系统分析方法，电感电容凿振回路 振荡器采用单端能量补偿系统分析方法”。 2 1 1 双端负反馈系统分析 一个简单振荡器在没有任何输入时持续不断地产生周期性的输出。电路如何 才能振荡呢? 一个性能好的负反馈放大器能够防止振荡产生，反过来，就是说振 7 华南理1 ：大学硕士学位论文 荡器是一种设计拙劣的反馈放大器。考虑如图2 i 所示的单位增益负反馈电路， 其中 等阱描 h s m ( 2 1 ) 图2 1 反馈系统 f i g u r e2 1f e e d b a c ks y s t e m 如果放大器本身的输出在高频时相移太大而使整个反馈变正的，那么振荡就 会发生。当s = ，h ( j c o o ) = 一1 时，负反馈系统输出为无穷大。这样系统中的任 何节点上有一个小的抖动或者噪声都能够使得系统发生振荡，这时候负反馈系统 变成正反馈。如图2 2 概念性地表示，一个频率为噪声经过单位增益和相移，变 成与输入信号相位相反振幅相同的信号接回到减法器中。输入信号和反馈信号产 生更大的差，那么电路持续“再生”。 总的来说，一个负反馈系统必须满足以下两个b a r k h a u s e n 振荡原则，电路 唪逆整 图2 2 振荡系统随时问的演变 f i g u r e2 2e v o l u t i o no fo s c i l l a t o r ys y s t e mw i t ht ir i l e 才能够在频率m 。发生振荡。 负反馈环路增益满足l h o 】1 负反馈环路相位满足么日( ，) = 1 8 0 。 在实际电路设计中，振荡器的开环增益往往是计算值的2 3 倍”1 。这主要是 为了克服工艺和温度的偏差，以及由于电路非线性造成的开环增益的下降。 2 1 2 单端能量补偿系统分析 8 第二章l c 振荡器相关理论 图2 3 振荡器单端分析法 f i g u r e2 3o n ep o r tv i o wo f a no s c il l a t o r 另一种分析振荡电路基本工作原理的方法是单端能量补偿系统分析，如图 2 3 。振荡电路可以被分割成两个单端网络：有源电路以及个谐振器。为了获得 稳定的振荡，有源电路所产生的电阻一r 。必须补偿谐振器的等效并联电阻r 。当这 个条件符合之后，此电路变成了一个无损耗的系统，总的并联电阻变成了无穷大， 因此，振荡电路就产生了。实 a 打 a c t i v e c i r c u t c 图2 4 单端能量补偿系统分析示意图 f i g u r e2 4a n a l y s iso fo d ep o r tv i e w 根据图2 4 我详细地阐述单端能量补偿系统分析方法。当有一个电流脉冲刺 激r l c 并联电路时，r l c 电路将发生振荡，由于电阻r p 的存在，振荡将慢慢衰 减为零。如果将一个“负阻一r 一”与r l c 电路相并联，如图2 4 ( b ) ，r l c 电路的 并联电阻为0 ，这样振荡将永远维持下去。然而实际电路中，不存在一个理想的 “负阻”，“负阻”都是由有源器件等效而来。图2 4 可以看出振荡器电路能够一 直保持振荡，其能量是来源于电路中的有源器件的供给。因此对于个振荡器电 路，可以将电路划分为两个部分：正阻电路( 耗能部分) 和负阻电路( 提供能量部 分) 。图2 4 ( c ) 的左边是一个谐振回路，产生振荡频率u 。：右边是一个提供能量 的负阻电路。上述分析振荡电路的方法称为单端能量补偿系统分析法。 9 华南理_ _ l 人学硕士学位论文 2 2 片上l c 压控振荡器 2 21l c 谐振器 在过去l o 年，单片电感已经逐渐出现在双极和c m o s 工艺中，使得基于无源 谐振元件的振荡器设计成为可能。如图2 5 a ，理想的电感l 与电容c 并联同路在 频率u = 1 ( l c ) “2 处谐振。实际上，电感和电容都会存在串联电阻，其实际电路 如图2 6 b 所示，在以谐振频率为中心频率一段窄的频段范围内，串联电阻可以等 c ( a ) 理想l c 谐振器 图2 5 f i g u r e 效为并联电阻，其等效方程组如 其中 ? 由 广 器( c ) 等效的r l c 谐振 ( 2 6 ) 铲毒 。， 也= r ，。+ 毋，。= ( i + q 2 l 净。+ ( 1 + q 2 。皿。 绕= 。 q 2 y c o c r 。 当“，= 1 ( l p c ，) “2 时，谐振回路简化成一个简单的电阻，也就是，谐振回路的 电压和电流的相位差降到零。谐振回路阻抗幅值与频率的关系( 图2 7 ) ，注意到 对于u 。电路行为是容性的。于是可以推断 1 0 ) ) 均 旧 争 ( 第二章l c 振荡器相关理论 m 。阻抗的相位是负的，如图2 7 b 所示。这姥结 果在研究l c 振荡器中是有用的。 - - - - - - - - - 0 - - - - - - - - - -m ( a ) 幅值( b ) 相位 图2 7l c 振荡回路阻抗与频率的函数关系 f i g u r e2 7i m p e d a n c eo f l ct a n ka saf u n c t i o no ff r e q u e h e y 2 2 2l c 交叉耦合振荡器 y 图2 8 负跨导交叉耦合电感电容振荡器 f i g u r e2 8n e g a t i v eg mc o u p l el co s c i l l a t o r 如图2 7 ，对照本章第一节的“单端能量补偿系统分析法”，可以将图2 8 电路分 割成两部分，上半部分是有损耗的谐振器，而下半部分是有源电路提供能量补偿 谐振电路的损耗。这种振荡电路结构被称为交叉耦合振荡器。m n l 和m n 2 两管子 构成的电路是补偿谐振器的损耗，也就是补偿谐振器的电阻的损耗，因此，它们 就是能够产生负值电阻的电路。图2 9 为采用m o s 管实现的负阻电路和其交流小 信号等效电路。忽略m o s 管m n l 和m n 2 的衬底效应和沟道调制效应，可以得到， = 砭一k ( 2 - i 】) 华南理工大学硕士学位论文 i = g m k = 一g 。i 吩忙l l 六十剖 ( 2 一1 2 ) ( 2 1 3 ) 如果m 1 和m 2 管相同，即g 。= g 。2 = g 。，得 一一2 g m ( 2 1 4 ) 当加在负阻的两端的电压增加时，负阻将对外输出电流。如果将图2 9 ( a ) 中 的交叉耦合差分对管与r l c 回路相并联，并且保证r p ，g 。时，负阻就能够为r l c 回路中的并联电阻r ，消耗的能量进行源源不断的补偿。 ( a ) 交叉耦合差分对管( b ) a c 小信号等效电路 图2 9 差分m o s 对管负阻电路 f i g u r e2 9d i f f e r e n t i a ln e g a t i v er e s i s t o r 2 3l o 压控振荡器 上一节介绍的是振荡器振荡的基本机理，而且振荡器的谐振频率是个吲定 值。为了使得振荡器的谐振频率能够克服工艺和温度的偏差，以及满足特定应用 场合中信道带宽的要求，需要设计具有一定调谐范围的压控振荡器。 2 3 1 压控振荡器的数学模型 一个理想的压控振荡器的频率压控特性( 图2 ，1 0 ) 可以表示为 。，= + 世r 圪“ 1 2 ( 2 一l5 ) 图2 1 0 理想压控振荡器压控特性 振荡器的频率与相位的关系表示为， 锄 & k 2 _ 研 ( 21 6 ) 则根据式子( 2 一1 5 ) ，( 2 1 6 ) ，假设k v 为常数，可以得到振荡器的相位为， 中2n m d t + m 。= 且+ 足，吃。磅+ 中。= r + k ，p 么d t + 巾。 其中定义振荡器的相位增量为巾。= k ，忆西。因此在锁相环电路中，压控振荡 器的相位是一个理想的积分器，其传递函数可以表示为 挚= 等 压控振荡器电路设计主要有以下几个指标： 中心频率：中心频率是由v c o 使用的环境决定的。例如，在一个微处理器的 时钟生电路。 调节范围： 要求的调节范围是由两个参数支配的，1 ) v c o 的中心频率随工 艺和温度变化； 2 ) 应用要求的频率范围。通常情况下定义为，振荡频率的最大 值与最小值的差值。 压控振荡器的增益k ，。 调节线性度：理想压控振荡器的增益k v 在整个调节范围内保持常数，但是 实际电路往往不能够做到这一点。这就要求压控增益k v 在整个调节范围内尽量保 持个好的线性度。 1 3 华南理- l = 大学硕士学位论文 相位噪声：载波频率偏处，1 t l z 内单边带噪声谱密度与载波功率比值的 分贝形式( d b c h z ) 。 输出幅度：能达到大的输出振荡振幅最好，这样使输出波形对噪声不敏感。 功耗：与其他模拟电路一样，振荡器受速度、功耗和噪声之间折衷的限制。 2 3 2k o 压控振荡器的实现 在图2 8 的交叉耦合负跨导电感电容振荡器等效电路中加入直流偏置i 。， 可以得到图2 1 1 中的两种结构的振荡器电路”“3 。图2 1 1 ( a ) 中的负阻采用交叉 kx _ a 、 、x _ 、姗帮弋一潮联，- vtv ，簟 - - - 4 卜叫卜一 f * _ 、女女救r 一 、一。c ，吖 _ 一卜牟 q uc h ( a ) n m o s 管压控振荡器( b ) 互补行压控振荡器 图2 1 1 负跨导压控振荡器 f i g u r e2 1 1n e g a t i v eg 。v c o 耦合的n m o s 对管来实现，尾电流管m n 3 为m n l 和m n 2 管提供直流偏置。同样该结 构也可以采用交叉耦合的p m o s 对管实现。在c m o s 工艺上实现电感电容压控振荡 器的最关键的问题是如何设计和实现高性能的片上电感和片上可变电容。 目前情况下，片上电感的实现主要有三种：有源电感，键台线电感和片七螺 旋电感。有源电感的噪声性能比较差，在高频电路中一般不采用。键合线电感的 品质因数比较高，通常在卜2 g l t z 可以达到5 0 ，但是其电感值偏差很大。片l 螺 旋电感是目前使用摄为广泛的一种电感，它最主要的优点是与c m o s 工艺完全兼 容，但是其品质因数比较低，一般在卜5 g h z 频率范围只能够做到5 8 。 片上可变电容的实现最主要有三种：p n 结电容，m o s 管电容和等效开关电容。 p n 结电容作为可变电容的缺点在谐振电压大的时候，p n 结有可能进入正偏状态， 增加了漏电流，导致品质因数下降。m o s 管电容是目前最为常用的可变电容，根 据m o s 管工作在不同的区域( 强反型区、耗尽区和累积区) ，和其m o s 管的源极 1 4 赢一商一 第二章l c 振荡器相关理论 ( s ) ，漏极( d ) 以及衬底( b ) 的不同连接方法，可以分为普通m o s 管电容，反型m o s 管电容和累积型m o s 管电容。等效开关电容是采用m i m 电容( 金属一绝缘体一金 属电容) 和开关m o s 管来等效阶跃可变电容。该结构的可变电容的优点是不受：1 ：岂 库的制约，可以由设计人员自行确定可变电容的大小及电容可调范围。在锁相环 电路中应用的最大好处是，该结构可变电容的压控振荡器的压控增益k 。的线性度 非常好。 图2 1 1 ( a ) 振荡器电路在d c 情况下，节点x 和y 的电压为v d d ，当振荡器 起振后，节点x 和y 上的电压波形将是以电源电压v d d 为直流分量的近似正弦波， 其振荡频率为 ， 1 氏2 瓦犀嘉司( 2 _ 1 9 ) 其中l 为电感，c m 为固定电容，c 。为可变电容。c ，的变化范围从c 到c 。 图2 1 1 ( b ) 是互补型负跨导压控振荡器，采用交叉耦合的n m o s 和p m o s 两种 管子来产生负阻补偿电路。对于同样的偏置电流和相同m o s 管尺寸，互补型结构 产生的负阻是单管型的两倍。因此互补型振荡器在振荡幅度和功耗方面都比单管 型有优势。 2 4l c 振荡器相位噪声理论 近十年间在电路设计领域，相位噪声研究得到了史无前例的关注。这主要是 因为深入了解电感电容振荡器的相位噪声产生机制，才能够设计出低相位噪声， 低功耗的电感电容压控振荡器。特别是在硅c m o s 工艺上，片上螺旋电感的品质因 数不高的情况下，通过优化电路结构和有源器件参数以及采用噪声降低技术来降 低噪声显得更加有必要。本节我将系统分析和研究目前应用最广泛的经典相位噪 声分析理论。 2 4 1 相位噪声背景知识 大多数情况下，压控振荡器的相位噪声性能是影响集成接收机灵敏度的最主 要的因素。理想的正弦波的频谱是一个脉冲函数，但是由于实际电路中存在各种 噪声源，振荡器输出的信号频谱特性都是频罩曲线，如图2 1 2 ( a ) 所示。电路中 的噪声源可以划分为两大类：器件噪声和外界干扰噪声，前者包括热噪声，闪烁 噪声；后者主要包括衬底和电源噪声。压控振荡器的器件噪声主要来源于片上电 感和可变电容的串