（微电子学与固体电子学专业论文）北斗卫星发射接收端vco设计.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要 近年来 全球导航定位产业已成为当今国际公认的八大无线产业之一 北 斗卫星导航定位系统是我国自主研发的卫星导航定位系统 对我国的经济和国防 等领域具有非常重要的作用 射频i j 端是北斗卫星导航定位系统中北斗接收发射 机的重要组成部分 由于c m o s 工艺应用在模拟和射频电路上的成功 越来越多 的射频单元电路能够实现单片集成 而这一系列的芯片中 低噪声放大器和本地 振荡器的性能尤其重要 本文主要研究的就是用于北斗导航系统上行l 和下行s 频段的电容电感压控振荡器 本文系统论述了电容电感压控振荡器及其相位噪声的理论 重点研究了低相 位噪声的压控振荡器设计与实现 对文献中提出的降低相位噪声技术进行了电路 仿真与分析 用实际结果证明了这些降噪技术可以用于本文的设计中 在s m i c0 1 8 u mr fc m o s 工艺下 本文设计了分别工作在北斗卫星导航系统 发射和接收端的l c 压控振荡器 对s m i c 工艺库中提供的平面螺旋电感 m o s 可变电容和r f 电容进行了详细的分析 由于s m i c 工艺库提供的平面螺旋电感 m o s 可变电容和r f 电容数量有限 在此基础上结合文献所提的降噪技术完成了 此次两个压控振荡器的设计 进行了版图级的仿真 达到了流片的级别 版图级 仿真的结果表明 1 工作在北斗卫星上行l 频段的v c o 控制电压在0 v 到1 8 v 范围内变化时频率的变化范围1 5 5 0 1 6 6 0 m h z 其中1 0 k h z 时的相位噪声达到 7 0 8 6 d b c h z 1 0 0 k h z 的相位噪声为一1 0 1 5 d b c h z 1 m h z 的相位噪声为 1 2 7 8 d b c h z 2 2 i i 作在下行s 频段的v c o 控制电压在0 v 到1 8 v 范围内变化时 频率的变化范围为2 3 7 5 2 7 1 0 m h z 其中1 0 k h z 时的相位噪声达到一5 3 1 d b c h z 1 0 0 k h z 的相位噪声为一8 0 1 7 d b c h z 1 m h z 的相位噪声为 1 0 3 4 d b c h z 关键字 北斗导航定位系统 电容电感压控振荡器 相位噪声 可变电容 平面 螺旋电感 分类号 t n 7 5 2 2 a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s t h eg l o b a ln a v i g a t i o ni n d u s t r yh a sb e c o m en o wo n eo f i n t e r n a t i o n a l l yr e c o g n i z e de i g h tb i gw i r e l e s s i n d u s t r i e s b e i d o ui st h es a t e l l i t e n a v i g a t i o np o s i t i o n i n gs y s t e mw h i c hi sr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e db yo u ro w nc o u n t r y i t p l a y sa l le x t r e m e l yi m p o r t a n tr o l ei no u rc o u n t r y se c o n o m ya n dn a t i o n a ld e f e n s e t h e r ff r o n te n di so n ei m p o r t a n tc o m p o n e n to f b e i d o ut r a n s c e i v e r d u et ot h ec m o s p r o c e s ss u c c e s s f u la p p l i c a t i o no na n a l o ga n dr fc i r c u i t m o r ea n dm o r er fc e l l sc a n r e a l i z et h em o n o l i t h i ci n t e g r a t i o n i nt h e s ec h i p st h ep e r f o r m a n c eo fl o wn o i s ea m p l i f i e r a n dl o c a lo s c i l l a t o ri se s p e c i a l l yi m p o r t a n t t h em a i nr e s e a r c ho ft h i sp a p e ri st o i n t r o d u c et h el cv o l t a g ec o n t r o l l e do s c i l l a t o r sw h i c ha r eu s e di nb e i d o un a v i g a t i o n s y s t e mu p d i r e c t i o nla n dd o w n d i r e c t i o nsf r e q u e n c yb a n d t h et h e o r yo ft h el c v c oa n dp h a s en o i s ei si n t r o d u c e di n t h i sp a p e r t h el o w p h a s en o i s el c v c o sd e s i g na n dr e a l i z a t i o na r ee m p h a s i z e d t h et e c h n o l o g i e sw h i c h a r ep r o p o s e db yt h el i t e r a t u r e st or e d u c et h ep h a s en o i s ea r ec a r r i e do u ts i m u l a t i o na n d a n a l y s i s w h i c hh a sp r o v e nt h a tt h e s ep r o p o s e dt e c h n o l o g i e sc a nb eu s e di nt h i sp a p e r t h el c v c o sw h i c ha r ew o r k e ds e p a r a t e l yi nt h eb e i d o us a t e l l i t en a v i g a t i o n a l s y s t e m st r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e rw e r ed e s i g n e db a s e do ns m i co 18 u mr fc m o s p r o c e s si nt h i sp a p e r t h ep l a n es p i r a li n d u c t a n c e m o sv a r i a b l ec a p a c i t a n c ea n dr f c a p a c i t a n c ew e r ed e t a i l e da n a l y s i z e d b e c a u s et h ec o m p o n e n t sw h i c ha r em e n t i o n e d a b o v ep r o v i d e db ys m i cp r o c e s sa r el i m i t e d b a s e do nt h i ss i t u a t i o na n dt h er e d u c i n g p h a s en o i s et e c h n o l o g i e sw h i c ha r ep r o p o s e db yt h el i t e r a t u r e s t h et w ov c o sw e r e d e s i g n e da n dl a y o u t e d t h el a y o u tp o s t s i m u l a t i o nw a s c a r r i e do u t a n dt h ew o r kr e a c h s t h el e v e lo fm a n u f a c t u r i n g t h el a y o u tp o s ts i m u l a t i o n sh a ds h o w nt h a t 1 w h e nt h e c o n t r o l l e dv o l t a g ei sf r o m0 vt o1 8 v t h ef r e q u e n c yo fv c ow h i c hi sw o r k e di n b e i d o us a t e l l i t e slf r e q u e n c yb a n dc h a n g e sf r o m15 5 0t o16 6 0 m h z t h ep h a s en o i s ei s 7 0 8 6 d b c h za t i o k h z 一1 0 1 5 d b c h za ti o o k h za n d 1 2 7 8 d b c h za t1 m h z 2 w h e nt h ec o n t r o l l e dv o l t a g ei sf r o m0 vt o1 b y t h ef r e q u e n c yo fv c ow h i c hi sw o r k e d o nb e i d o us a t e l l i t e ssf r e q u e n c yb a n dc h a n g sf r o m2 3 7 5t o2 710 m h z t h ep h a s en o i s e i s 一5 3 1d b c h za tio k h z 8 0 17 d b c h za t10 0 k h za n d 10 3 4 d b c h za t1m h z k e y w o r d s b e i d o us a t e l l i t en a v i g a t i o np o s i t i o n i n gs y s t e m l cv o l t a g ec o n t r o l l e d o s c i l l a t o r v c o p h a s en o i s e v a r i a b l ec a p a c i t a n c e t h ep l a n es p i r a li n d u c t a n c e c i a s s n o t n 7 5 2 2 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果 也不包含为获得北京交通大学或其他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 学位论文作者签名 x 津杰b t 馐 签字日期 缸洲夕年6 月 8 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留 使用学位论文的规定 特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 卅屯短磁 签字同期 a 砌9 年石月 导师虢自漭埂 签字胁呷年6 月 日 致谢 本论文的工作是在我的导师刘章发教授的悉心指导下完成的 刘章发教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响 在此衷心感谢两年来 刘章发老师对我的关心和指导 感谢北京交通大学在我本科及研究生学习的六年里为我提供良好的学习环 境 感谢电子系里所有老师在我求学阶段对我的关心和帮助 在实验室工作及撰写论文期间 李雷 郭晓峰 苏俊 曹淑新等同学对我论 文中的版图规划等研究工作给予了热情帮助 在此向他们表达我的感激之情 另外也感谢家人 他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业 引言 1 引言 1 1研究背景 1 1 1北斗卫星定位系统介绍 1 9 世纪电磁波的发现为近代无线电导航奠定了基础 无线电导航根据无线电 波在地面传播的时间来测定载体的位置 随着1 9 5 7 年苏联第一颗人造卫星的发射 和2 0 世纪空间技术的发展 各种人造卫星相继升空 为了解决覆盖面积和定位精 度之间的矛盾 人们丌始从卫星上发射无线电信号进行导航 于是出现了卫星导 航系统 卫星导航定位系统综合了传统天文导航定位和地面无线电导航定位的优 点 相当于设置在太空的一个无线电导航台 自从美国的全球卫星导航系统诞生以来 人们的生活与卫星导航的联系越来 越紧密 从简单的船舶导航到智能交通系统 搜救抢险 勘探测绘 制导授时 卫星导航不但带来了巨大的经济效益而且关系到了一个国家的安全与独立 成为 了一个国家主权独立的象征 总之 全球导航定位技术的应用领域 上至航空航 天 下至海域陆地 已经无处不在 全球导航定位产业已成为当今国际公认的八 大无线产业之一 l 另外 近年来发生的战争表明 谁拥有先进的卫星导航系统 谁就在很大程度上掌握了未来战争的主动权 面对机遇和挑战 我国迎难而上 加快了导航事业的发展 我国在2 0 0 1 年和2 0 0 3 年共发射了3 颗 北斗一号 地 球同步导航卫星 组成了我国区域卫星导航系统 初步实现了我国卫星导航系统 的自主化 2 1 我国的北斗定位导航系统是全天候 全天时提供卫星导航定位信息的区域性 导航系统 北斗导航系统采用与g p s 相似的体制和技术 分为空间部分 地面中 心控制系统以及用户终端三大部分 l 图1 1 为北斗导航系统的组成示意图 空问卫星部分由3 颗 两颗工作卫星 一颗备用卫星 距地面3 6 0 0 0 k m 的地 球同步卫星组成 北斗导航系统在国际电信联盟登记的频段为卫星无线电定位业 务段 上行为l 频段 频率为1 6 1 0 1 6 2 6 5 m h z 下行为s 频段 频率为 2 4 8 3 5 2 5 0 0 m h z 卫星位置为赤道面东经8 0 0 1 4 0 0 和1 1 0 5 0 备份卫星 空间 卫星的任务是完成中心控制系统和用户收发机之间的双向无线电信号转发 卫星 上主要载荷是变频转发器 s 波段天线 两个波束 和l 波段天线 两个波束 北京交通人学硕十学位论文 兮兮 图1 1 北斗卫星导航系统组成示意创 f i g i 1d i a g r a m o f b e i d o us a t e l l i t e n a v i g a t i o ns y s t e m 地面中心控制系统 简称中心站 是双星导航定位系统的控制和管理中心 具有全系统信息的产生 搜集 处理与状况测控等功能 它主要有信号收发分系 统 信息处理分系统 包括定轨子系统和加密子系统 时闻分系统 监控分系统 和信道监控分系统等组成 它的主要任务是 产生并向用户提供卫星位置参数 向用户提供定位和授时服务 并存储用户有关信息 转发用户间通信信息或用户 进行报文通信 监视并控制卫星有效载荷和地面应用系统的状况 对新入网注册 登记 根据需要临时控制部分用户机的工作和关闭个别用户机 可根据需要对标 校机有关工作参数进行控制等 一切计算和处理都集中在中心站完成 中心站是 双星定位系统的中枢 用户终端部分主要任务是接收中心站经卫星转发的测距询问信号 经混频和 放大后加入有关信息 并由发射装寅向两颗 或一颗 卫星发射应答信号 凡具 有这种应答电文能力的设各都叫做用户终端 又称为用户收发机 根据执行任务 的不同 用户终端分为通信终端 卫星测轨终端 差分定位标校站终端 气压测 高标校站终端 校时终端和集团用户管理站终端等 北斗导航系统具有卫星数量少 投资小 用户设备简单廉价 能实现一定区 域的导航定位 通讯等多用途 可满足当前我国陆 海 空运输导航定位的需求 2 引言 缺点是不能覆盖两极地区 赤道附近定位精度差 只z h 4 匕a 一 维主动式定位 且需要 提供用户高程数据 不能满足高动态和保密的军事用户要求 用户数量受一定限 制 但最重要的是 北斗卫星导航定位系统是我国自主研发的导航定位系统 虽 然存在缺点 但它的研制成功标志着我国打破了美 俄在此领域的垄断地位 解 决了中国自主卫星导航系统的有无问题 它是一个成功的 实用的 投资很少的 起步系统 此外 该系统并不排斥国内民用市场对g p s 的广泛使用 相反 在此 基础上还将建立中国的g p s 广域差分系统 可以更好的促进g p s 在民问的利用 当然 必须认识到 随着我国军事高技术武器的不断发展 对导航定位的信息支 持要求越来越高 北斗导航系统仅仅是我国近期满足四化建设需要的自主简易导 航系统 因此 我们必须借鉴国外g p s g l o n a s s 的成功经验进一步的丌发完 善我国的卫星导航系统 这对我国减少对g p s 的依赖 巩固国防等领域具有重要 的作用 i 2 1 1 2北斗卫星导航系统中射频技术介绍 北斗卫星导航系统用户终端分为有源终端和无源终端 有源终端是主动式双 向测距 包括接收系统和发射系统两部分 北斗用户机分为天线 射频 功放 保密模块 电源 信号与信息处理 显示与控制等7 个部分 如图1 2 所示 2 1 图1 2 北斗用户机框图 f i g 1 2d i a g r a mo fb e i d o uu s e r 8t r a n s c e i v e r 北斗用户机主要由信号接收处理以及基带信号处理组成 信号接收处理经过 3 北京交通入学硕 学位论文 数据采集单元完成模数转换 其中每路模拟信号中包含v q 两支路数字扩频信号 最多支持6 路模拟信号 即3 个通道的6 个波束 数字扩频信号首先进入i 路捕 获单元 完成i 路捕获 在此基础上 载波 解扩 解调 环开始工作 完成i 路 的精确跟踪和导航电文的解调 经译码后得到导航电文 由寄宿在嵌入式c p u 上 的解析程序所构成的数据处理进行电文语义转换 根据电文中的信息 获得当前 时刻q 支路p n 码的相位 并由此直接进行解扩解调及译码 在北斗用户机需要 发射数据时 基带信号与数据处理模块形成要发送的信息 发射支路采取突发式 方式工作 在有信号发射时 功放加电 b p s k 入站信号经调制器和功放发射至导 航卫星 由图1 2 中可见 系统是由模拟部分和数字部分构成 模拟部分包括天线 和射频收发模块 数字部分包括基带处理 数据处理机以及终端控制等 这罩主 要介绍射频f f 端部分 射频前端也叫高频模块 包括低噪声放大器 混频器 本振源 变频器和滤 波器等部分 它的主要作用是放大功率信号 把从天线送来的高频信号变成中频 信号 同时获得稳定的增益 以便于后面的信号处理 射频即为无线电频率 因为射频电路在初期只能发射调幅和调频两个波段的 无线电信号 现在把高频电路设计称为 射频电路设计 只是沿用了历史名称 射频技术在无线通信领域具有广泛的 不可替代的作用 1 9 0 1 年英国科学家马可 尼成功实现了无线电信号横越大西洋 可以认为从那时起射频电子技术正式诞生 马可尼的成功使人们认识到利用无线电可以代管电线来传输电话 电报等信息 要实现移动通信必须采用无线传输方式 无线通信发展到今天是很多科学家努力 的结果 同时也有赖于射频电子技术的发展 射频技术构成了当代移动通信的基 础 3 1 图1 3 无线通信系统简图 f i g 1 3d i a g r a mo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m 通常的无线通信系统可以用图1 3 来表示 基带级处理基带信号 射频级处理 射频信引2 1 在发送信息时 通过射频级将基带信号变换成适合在频带内传输的形 式送入信道进行传输 主要是通过各种调试方式进行上变频 当接收时 射频级 4 引言 又能实现对特定频段的无线电信号进行选取 滤波 放大 提高信号的幅值和纯 度 进行下变频以满足后级进行基带处理的要求 所以一个性能良好的射频级是 实现正常通信的前提 射频信号覆盖的范围很广 不同频率的射频电磁波在空间传播的方式和特性 也不同 射频电路设计就是对发射电磁信号的电路进行设计 从天线接收到的信 号首先就要经过前端电路的处理 主要包括滤波器 低噪声放大器 混频器 频 率源等单元 完成对无线电波进行放大 变频 滤波等处理 使其频率 幅值和 信噪比能够满足对信号进行 f 确处理要求 所以说前端的性能是接收机中一个关 键的指标 只有前端的工作指标满足要求才能开始后续的数据处理工作 所以射 频前端的设计一直是无线电接收机设计中的重要环节 1 1 3压控振荡器研究状况 1 1 3 1研究压控振荡器的意义 振荡器是一种不需要外加激励信号而能自动将直流能量变换为周期性交变能 量的装置 它是许多电子系统的主要部分之一 应用十分广泛 在无线电技术发 展的初期 它就在发射机中用来产生高频载波电压 在超外差接收机中用作本机 振荡器 成为发射和接收设备的基本部件 尤其是在通信系统电路中 压控振荡 器 v c o 是其关键部件 特别是在锁相环电路 时钟恢复电路和频率综合器电路等 更是重中之重 可以毫不夸张地说在电子通信技术领域 v c o 几乎和电流源和运 放具有同等重要地位 近年来 随着无线通信系统以及无线局域网特别是个人数字终端的普及 人 们对射频前端收发机的研究进入白热化的状态 由于c m o s 工艺应用在模拟和射 频电路上的成功 r f i c 设计始终向着低成本 低功耗和小型化方向发展 越来越 多的射频单元电路 如低噪声放大器 l n a 低通滤波器 l p f 混频器 m i x e r 本地振荡器 o s c i l a t o o 功率放大器 p a 等等 能够集成到单片的芯片上 而这一 系列的芯片中 低噪声放大器和本地振荡器的性能尤其重要 对它们的研究也比 较多 本文主要研究就是用于北斗导航系统上行和下行频段的电容电感压控振荡 器 射频超外差接收机的一般结构如图1 4 所示 接收通路中 通过天线接收进来 的r f 信号 经过滤波器和低噪声放大器放大后 与压控振荡器产生的本振信号经 过混频器混频 产生固定频率的中频信号 经放大送到一般的模拟后端进行处理 或通过模数转换到数字后端 在发送通路中 模拟信号和本振信号混频生成高频 5 北京交通人学硕十学位论文 信号 经过功放从天线发送出型4 1 毋一堡噬婆叫芦 爹灏 l 卜低通滤避竺一芦 图l 4 射频超外差接收机结构 f i g 14 s t r u c t u r eo fr fs u p e r h e t e r o d y n er e c e i v e r c m o s 射频集成电路的研究目标就是将前端的收发电路集成到一块芯片上 在收发机中近来研究的焦点是l n a 和v c o 由于天线所接收到的信号十分微弱 很有可能淹没在噪声中 如何将如此微弱的信号进行放大而不恶化信噪比是研究 l n a 的主要目标 对于v c o 来说 其相位噪声的大小对于本振信号的纯度以及混 频后的信号纯度都有决定性的影响 因而v c o 的主要研究课题是如何减小相位噪 声 1 1 3 2压控振荡器的历史 从2 0 世纪初a r m s t r o n g 提出外差原理以来 压控振荡器的技术经历了真空管 振荡器 晶体管振荡器 振荡器模块和片上集成振荡器几个阶段 v c o 的技术仍 然处于快速的变化中 以后许多系统中的振荡器将只是在基本拓扑结构上和早期 振荡器相似1 5 在真空管时代提出的一些优秀的电路拓扑结构直到今天仍然在使用中 如 c o l p i t t s c l a p p a r m s t r o n g 和p i e r c e 等结构 在当时高品质可变电容器采用的是 多金属板空气问隙电容 电感则是绕线电感 电容和电感的值都是可以改变的 和许多早期的电子设备一样 它不仅体积庞大 造价昂贵而且需要很高的电源电 压 后来晶体管开始取代真空电子管作为有源元件应用在振荡器中 这极大地改 变了振荡器的实现技术 6 0 年代早期 对变容二极管技术进行了大量的研究 变 容二极管迅速取代了机械调节元件的位置成为应用在v c o 中的可变电容元件 变 容二极管对频率源信号精确的电子控制在锁相环 p l l 电路发展过程中的重要作 用是不可估量的 那一时期 电视机的快速发展为向基于变容二极管和晶体管的 v c o 过度做出了很大的贡献 当时 价格合理 功耗低 高质量 具有自身电子 6 一器一 波滤 卜 蒂 引言 调谐功能 能够容易地进行频率范围重新配置的v c o 已经出现 随着变容二极管 电容和电感体积的缩小 以模块的形式实现v c o 成为可能 v c o 模块本质上就 是一个建立在一块衬底上并安装在金属外壳内的分立元件振荡器的微缩版本 模 块是独立的 它只需要外接地 电源 调谐电压和输出负载 尽管分立元件v c o 能够为任何频率和调谐范围单独设计 它们一般需要大量的劳动对频率设置元件 进行调整以补偿元件一致性差的缺点 除此之外 分立v c o 需要良好的屏蔽以减 小辐射和牵引效应 然而 9 0 年代末出现了一种体积更小成本更低的v c o 技术一 一单片v c o 技术 事实证明它具有非常小的体积和低廉的成本 而且它可以用于 实现射频收发机其它功能单元相同的工艺制作 这意味着v c o 可以和其它的r f 模块集成在一起 这大大降低了成本 相信随着射频和通信集成电路的发展和人 们对芯片的要求越来越高 单片v c o 肯定会成为v c o 的主流实现方案 5 j 1 2 论文研究内容 就目前c m o s 射频集成电路的国内外概况 针对我国自主研发的第一代卫星 导航定位系统北斗用户收发机的射频前端 采用著名的代工厂s m i c 的0 1 8 u m c m o s 工艺线来设计实现用于北斗用户收发机的射频前端中的压控振荡器 v c o 的设计 拟达到的技术目标如下 发射端v c o 控制电压在0 v 到1 8 v 范围内变化时频率的变化范围为北斗卫星 上行的l 频段即1 6 1 0 1 6 2 6 5 m h z 其中1 0 k h z 时的相位噪声达到 6 5 d b c h z 1 0 0 k h z 的相位噪声为 9 5 d b c h z 1 m h z 的相位噪声为 1 0 0 d b c h z 电源电压为 1 8 v 输出的稳定时间为4 0 n s 中频为4 m h z 接收端v c o 控制电压在0 v 到1 8 v 范围内变化时频率的变化范围为北斗卫星 下行的s 频段即2 4 8 3 5 2 5 0 0 m h z 其中1 0 k h z 时的相位噪声达到 4 0 d b c h z 1 0 0 k h z 的相位噪声为 8 0 d b c h z 1 m h z 的相位噪声为一9 0 d b c h z 电源电压为 1 8 v 输出的稳定时间为5 0 n s 中频为4 m h z 实现上述的v c o 设计 包括电路与版图的实现 达到流片级别 1 3论文的组织结构 本文主要是对北斗用户收发机的射频前端中的v c o 进行了细致的研究并设计 出了北斗卫星发射和接收端的v c o 首先在第二章阐述了振荡器工作的基本原理 并分析了常用的振荡器的拓扑 分别介绍了环形振荡器和l c 压控振荡器的原理 比较两者后提出了本文设计采用 7 北京交通火学硕 学位论文 的结构是l c 压控振荡器 片上螺旋电感由于其低的品质因数 是影响射频集成电路性能的关键器件 因此本文第三章首先对电感的物理模型进行了详细的分析 然后介绍了c m o s 工 艺中的可变电容器和l c 压控振荡器设计中的其它设计部分 包括负阻结构 偏置 电路等 最后讨论了相位噪声理论 振荡器的相位噪声是不可忽视的一个重要性 能指标 v c o 的相位噪声大小直接影响整个通信系统的工作性能 因此在本章的 罩将重点介绍几种改善振荡器相位噪声的方法 并将这些方法应用到后续的设计 中去 本文从第四章开始将进入上行l 频段压控振荡器设计中 基于s m i c0 1 s u m 工艺详细的讲述了工作在北斗卫星上行l 频段的v c o 设计过程 设计方法和实现 过程 给出其电路级和版图级的仿真结果 本文第五章将讲述的是北斗卫星下行s 频段的v c o 的设计过程 与第四章的 组织结构类似 同样也是基于s m i c0 1 8 u m 工艺库完成本文的设计 并给出其电 路级和版图级的仿真结果 最后一章 总结本论文的工作 指出此次工作的不足以及今后需要进一步研 究的方向 8 压控振荡器的基本原理 2 压控振荡器的基本原理 2 1振荡器概述 振荡器是许多电子系统的主要部分 应用范围从微处理器中的时钟产生到蜂 窝电话中的载波合成 应用范围的不同使得对振荡器的结构和性能参数要求差别 很大 例如晶体振荡器分别应用于微处理器的时钟产生电路和无线接收机中的本 机振荡电路中时 将会对其有不同的要求 晶体振荡器的频率比较低 一般在 1 0 m h z 以下 但其相位噪声和相位抖动可以做得很好 当其应用在频率从几m h z 到2 3 g h z 变化的微处理器时钟产生电路时 通常要求有很大的频率谐调范围 而 对相位噪声的要求通常比较低 当其应用在无线接收机中的本振振荡电路中时 则对相位噪声要求比较高 振荡器基本特征是在外加直流电源后可以向负载提供一定频率和一定功率的 交流信号 这个特征中有两个要点 一 振荡器的外部只有直流电压无任何交流信号输入 即0 h z 的频率输 入 而输出是一定频率和一定功率的信号 这就说明振荡器电路中 信号存在一个从无n d 然后在从d n 大的过程 二 振荡器的最终状念是输出固定频率和功率的状态 也就是说振荡器 产生的信号并不是无止境的增大而是向稳定的状态过度 并最终保 持这种状态 上述两点在振荡器原理中对应着起振条件 平衡条件和稳定条件 这三个条 件是振荡器分析的目标和振荡器设计的依据 2 2振荡器基本原理 通过借鉴负反馈系统频率响应特性 分析振荡器 弄清振荡器振荡的物理机 制 6 图2 1 a 是一个单输入 单输出的负反馈系统 该系统的开环传递函数为 h s 其闭坏传递函数可以表示为 了v o u t 善练 2 1 圪l h b 当s j c o o 日o 1 时 负反馈系统输出为无穷大 在这个系统中的任何 节点上有一个小的抖动或者噪声都可以使系统发生振荡 这时系统由负反馈变成 9 北京交通人学硕士学位论文 正反馈 这种在运算放大器的设计中绝对不允许出现的情况对于振荡器来说 确 是其正常工作的必须条件 即振荡器必须工作在正反馈情况下 总的来说 一个负反馈系统要在频率点上发生振荡 必须满足以下两个 b a r k h a u s e n 振荡原则 6 1 振荡器系统的丌环增益1 日d i l 2 振荡器系统的开环相位偏移为l8 0 0 在实际电路设计中 振荡器的丌环增益通常是计算值的2 3 倍 因此要设置一 个安全裕量 用以克服工艺和温度的偏差 以及由于电路非线性造成的丌环增益 的下降 际一噌磐 i b 图2 1 振荡器的反馈形式 f i g 2 lf e e d b a c kf o r mo f o s c i l l a t o r 振荡器的负反馈形式如图2 1 a 所示 其中正向丌环传递函数的相位偏移是 1 8 0 0 反向反馈通路的相位偏移也是1 8 0 0 因此整个开环的相位偏移为3 6 0 0 图 2 1 b 是振荡器的正反馈表示形式 为了保证振荡器起振 正向开坏传递函数的相 位偏移3 6 0 雠 h j c o o l l 相位偏移3 6 0 也就是正反馈系统的输入与输出 相位相同 因此图2 1 c 与图2 一l b 是等价的 2 3l c 振荡器 如图2 2 a f i 标 在频率 1 4 d g 处 并联的电感l 和电容c 产生谐振 在此频率下电感的阻抗 三和电容的阻抗l c 幅值相等而相位相反 因此产生 了无穷大的阻抗 在此条件下振荡器产生振荡 j o g o l 1 j o g o c 2 2 可知它的振荡频率为 厂 丽1 1 0 2 3 压控振荡器的基本原理 图2 2l c 振荡同路 a 理想电容电感并联 b 实际电感电容并联 f i g 2 2l co s c i l l a t i o nc i r c u i t a p a r a l l e lo fi d e a lc a p a c i t a n c ea n di n d u c t a n c e b p a r a l l e lo fa c t u a lc a p a c i m n c ea n di n d u c t a n c e 上述分析了在理想状况下的情况 在实际电路中 如图2 2 b 所示 乙0 r l j c o l 实际的电感和电容不可能没有串联电阻的 z a o 心 击 电感与电容并联后的总阻抗为 z 缈 互互 一rl rclc rlrccco lc j z l z c1 一l c c 0 1 辽l r f j c 实际电路中电容的寄生电阻很小 可以忽略 故上式可化为 z 卫善堕一 7 1 一l c r 0 2 r j c o c 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 z 在国 1 历处取得极值 但不能达到无穷大的阻抗 为使其实部的阻 抗为零 必须另外增加元件使这个简单的l c 回路发生振荡 2 4负阻模型 相比于负反馈 采用 负电阻 这个概念可以更深刻的表达振荡现象 5 如图 2 3 a 所示 当电流脉冲刺激r l c 并联电路时 r l c 电路将发生振荡 由于电阻尺p 的存在 一部分能量转化成了热能 使得振荡将慢慢衰减为零 如果将一个 负 阻一b 与r l c 电路相并联 如图2 3 b r l c 电路的并联电阻为b b o d 每 r 一 一尸 2 一 r砰面 一卜 巾 此 因 p 北京交通大学硕士学位论文 这样振荡就能永远维持下去 i c 图2 3 a 振荡同路的衰减脉冲响应 b 增加负电阻消除岛能量损失 c 使用有源电路提供负电阻 f i g 2 3 a w e a k e np u l s er e s p o n s eo fo s c i l l a t i o nc i r c u i t b i n c r e a s i n gn e g a t i v er e s i s t a n c et o e l i m i n a t ee n e r g yl o s s c u s i n gt h ea c t i v ec i r c u i tt op r o v i d et h en e g a t i v er e s i s t a n c e 从图2 3 c 中n i 以看出对于一个振荡器电路 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 供能部分 在单端口电路中 如果有一负电阻 与振荡回路并联 电路就可以振荡 然而理想的 负阻 在实际电路中是不存在 的 负阻 都是采用有源器件等效而来的 图2 3 c 的左边是一个谐振回路 产 生振荡频率 右边是一个提供能量的负阻电路 通常用有源电路来实现 2 5 环形振荡器 环形振荡器是较常见的振荡器之一 它是由若干增益级联组成 一般它的结 1 2 二卜几 i一 一情 八 一 v九 让 汛 八 一甜 淞 压控振荡器的基本原理 构简单易于实现 而且振荡频率很高 它的基本组成单元可以是反相器或差分对 下面举例说明反相器组成的环形振荡器 单级的反相器只能提供1 8 0 0 的相差 因此最简单的环形振荡器应当至少有3 个反相器串联组成才能满足其相位条件 图2 4 为其数学模型 缈 图2 4 二级环形振荡器数学模型 f i g 2 4t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h r e el e v e lr i n go s c i l l a t o r 由于振幅的不断增大 各级电路从非线性的状态变化到饱和状态 此时振幅 和频率都处于稳定状态 用大信号分析其振荡周期 假设每级反相器的延迟时间 相同都是t 则每个反相器在经过6 t 时问后又回到初始状态 所以振荡的周期是 6 t 同理可得n 级反相器的振荡周期为2 n t 由此推导出n 级反相器构成的振荡 回路的频率为 五 2 n t f l 2 9 环路反相的次数必须是奇数 否则无法满足巴克豪森法则的相位条件 在设 计中3 或5 级反相就能达到比较好的效果 当然如果设计需要可以有更多个反相 器级联 6 1 2 6电容电感压控振荡器 上面几节介绍了振荡器振荡的基本机理及环形振荡器的工作原理 振荡器的 谐振频率是一个固定值 为了使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 6 1v c o 的重要性能参数 在大多数应用中要求振荡器输出频率是一个控制输入的函数 通常这个控制 1 3 北京交通人学硕士学位论文 输入就是电压 一个理想的压控振荡器 v c o 其输出频率是其输入电压的线性函 数 如图2 5 所示 o m k 盱 吃删 当 0 时 绒叫 c o 而k 仰表示电路的 增益 或 灵敏度 h z v 哆一c o i 为频率可以达到的范围 称为 调节范围 图2 5 压控振荡器v c o 的定义 f i g 2 5t h ed e f i n i t i o no fv c o 2 1 0 单位为 压控振荡器电路设计主要有以下几个指标 6 中心频率 振荡器最大频率和最小频率的中间值 由v c o 的使用环境决定 调谐范围 振荡器的最大频率与最小频率的差值 通常情况下 也用此差值 与中心频率比值的百分比形式来定义 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而变化 2 应用要求的频率范围 在极端的 工艺和温度下一些c m o s 振荡器的中心频率可能变化到两倍 为此要求有足够宽 的调节范围来保证v c o 的输出频率可以达到要求的值 由于v c o 控制线上的噪 声导致了输出相位和频率的变化 对于给定的噪声幅度 因为眈珊 k 仰圪 所以输出频率中的噪声正比于k 啪 必须尽量减小k 脚 才能使圪耵中的噪声效 应减到最小 这与所需的调节范围是直接矛盾的 调谐增益 压控振荡器的增益k 啪 表示单位控制电压所产生的频率变化量 调谐线性度 理想压控振荡器的增益在整个调谐范围内保持为常数 但实际 电路实现的时候 这点是不能够做到的 这就要求调谐增益k 一在整个调谐范围 内尽量保持一个好的线性度 在现代射频集成的应用中 对v c o 的调谐线性度的 要求相对降低 已经没有标准的量化指标 1 4 j 乐控振荡器的基本原理 相位噪声 指频率信号在偏离载频一定的频率处 在1 h z 带宽范围内的噪声 功率的总和 既功率谱密度 与载频功率 通常用均方电压代替 的比值 一般 相位噪声以对数形式来表示 单位为d b c h z v c o 本身的电路噪声和来自于控制 电压输入端和电源端的噪声都会产生相位噪声 相位噪声是v c o 极重要的指标 表征噪声对频谱纯度的影响 如何降低相位噪声也是v c o 的设计难点之一 这个 概念将在后文中进一步提到并做深入的分析 输出电压幅值 从降低相位噪声方面来看 应该尽量让输出波形对噪声不敏 感 所以应该使得输出电压的幅度尽量大些 通过牺牲功耗 电源电压甚至是调 节范围可以得到振幅的增加 功耗 振荡器的功耗与相位噪声 输出电压幅度等密切相关 它们之间存在 着一定的权衡和优化关系 c m o s 工艺上实现振荡器的典型功耗大约为几m w 到 几十m w 2 6 2l c 压控振荡器的调节 构成v c o 的方法一般有两种 一种是由谐振回路 常用的是l c 回路 组成 的振荡器 其频率控制是通过改变谐振回路中电抗元件值的方法来实现的 另一 种为多谐振荡器 如环形振荡器 用改变电容充放电电流大小和各级延迟时间的 方法来实现对频率的控制 上文已介绍 本文讨论的重点为前者 忽略偏置电流和晶体管跨导等其他参数对l c 振荡器频率的影响 l c 振荡器 的振荡频率等于f o l 2 万 三c 因为单片电感的值改变很困难 所以一般选择改 变电容器的电容值大小来调节振荡器 电容值与电压有关的电容器被称为 可变 电容器 v a r a c t o r 例如在以往的v c o 设计中 可以采用反偏p n 结作为可变电容器 其电容器 与电压的关系可表达为 c 酊 七 2 1 1 fl 堡1 l九 其中c 0 是零电压偏置下的电容值 是反偏电压 九是结的内建电势 m 的 值一般在0 3 和0 4 之间 2 7v c o 的数学模型 前面已经提到 一个理想的压控振荡器 v c o 其输出频率可以表示为 1 5 北京交通大学硕十学位论文 c o o l 2c o o k 啪圪埘 心 1 2 振荡器的频率可以被定义成相位对时间的微分 6 娑 2 13 coo 2 u 则根据式 2 1 2 君9 1 2 1 3 假设k 啪为常数 可以得到振荡器的相位为 矽 n f i t 2 胁 协讹 2 1 4 2 f k 啪j a t c o 将k 啪忆小出定义为振荡器的 剩余相位 丸 在锁相环的应用中 压控振 荡器v c o 的工作就像一个理想的积分器 给出的传输函数为 老阱争 2 1 5 实际上v c o 的正弦输出波形中包含大量的谐波 因此假设v c o 输入的控制 电压为一小的正弦信号吃埘 圪c o s 0 7 r o t 那么根据上面的公式可以将输出表达为 o 形0 c o s o m f k d t 瑚 s h 挚 刁 陋峋 部 s 舭 s 挚 r 卜咖 r 挚 刁 假设 足够小使得k c d v 1 m d 那么即有 删蛳嗽 咖 r 刁 陪 z o c o s 驴 筹 c o s 一 由上式可以看出输出由三个正弦波组成 即表明控制电压随时问的变化会在 输出产生不希挈的频率成分 6 1 1 6 压控振荡器设计重点 3l c 压控振荡器设计重点 3 1硅基集成电感 电感是射频c m o s 工艺中的极其重要的元件 在