南京邮电大学微电子学毕业设计.doc

南京邮电大学毕业设计(论文)开题报告题目一种高速环形压控振荡器的设计学生姓名范浩如班级学号B100207B10020726专业微电子学1、 课题背景及意义1.1课题背景及内容在锁相环、频率综合器和时钟数据恢复等电路中，压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator, VCO）是重要的组成部分，一定程度上决定了整个环路的性能。环形VCO由于高集成度、高可靠性等优势被广泛采用。从集成电路的发明开始，对电路速度的追求就从未间断，特别是近年来通信领域的快速发展，更是要求电路能满足越来越高速率的应用需求。作为电路中产生时钟的重要模块，高速环形VCO的设计成为一个研究热点。本课题拟采用标准的0.18m CMOS工艺设计出一种可用于锁相环的高速环形压控振荡器。1.2课题的意义VCO即压控振荡器，是射频电路的重要组成部分。 射频电路多采用调制解调方式，因此严重依赖本振。而现代通信技术要求复用、跳频等新技术，采用电压控制振荡回路中电容的电容量，进而改变振荡回路谐振频率就成为实现这些技术的手段之一。二、课题所涉及技术的理论简述2.1 VCO的发展VCO自其诞生以来就一直在通信、电子、航海航空航天及医学等领域扮演重要的角色。指导教师批阅意见该同学通过广泛地研读相关的文献资料，对高速环形压控振荡器的基本原理有了明确的理解，对如何使用cadence软件对压控振荡器的设计及仿真有了明确的实施方案，总体思路可行，进度和时间合理，已达到毕业设计开题要求，同意开题。 指导教师(签名)： 张长春 2014 年 3 月 22日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。随着电子技术的迅速发展，振荡器的用途也越来越广泛，例如在无线电测量仪器中，它产生各种频段的正弦信号电压：在热加工、热处理、超声波加工和某些医疗设备中，它产生大功率的高频电能对负载加热；某些电气设备用振荡器做成的无触点开关进行控制；电子钟 和电子手表中采用频率稳定度很高的振荡电路作为定时部件等。在通信系统电路中，压控振荡器(VCO)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，VCO几乎和电流源和运放具有同等重要地位。2.2 VCO的性能指标 VCO的性能指标主要包括：1）频率调谐范围；2）振荡器的频率稳定度；3）频谱纯度；4）推频系数；5）频率牵引；6）电调速度；7) 相位噪声。频率调谐范围是VCO的主要指标之一，与谐振器及电路的拓扑结构有关。通常，调谐范围越大，谐振器的Q值越小，谐振器的Q值与振荡器的相位噪声有关，Q值越小，相位噪声性能越差。振荡器的频率稳定度包括长期稳定度和短期稳定度，它们各自又分别包括幅度稳定度和相位稳定度。长期相位稳定度和短期 幅度稳定度在振荡器中通常不考虑;长期幅度稳定度主要受环境温度影响，短期相位稳定度主要指相位噪声。在各种高性能、宽动态范围的频率变换中，相位噪声是 一个主要限制因素。在数字通信系统中，载波信号的相位噪声还要影响载波跟踪精度。其它的指标中，振荡器的频谱纯度表示了输出中对谐波和杂波的抑制能力；推频系数表示了由于电源电压变化而引起的振荡频率的变化；频率牵引则表示了负载的变化对振荡频率的影响；电调速度表示了振荡频率随调谐电压变化快慢的能力。在压控振荡器的各项指标中，频率调谐范围和输出功率是衡量振荡器的初级指标，其余各项指标依据具体应用背景不向而有所侧重。例如，在作为频率合成器的一部分时，对VCO的要求，可概括为一下几方面：应满足较高的相位噪声要求；要有极快的调谐速度，频温特性和频漂性能要好；功率平坦度好；电磁兼容性好。2.3 VCO基本原理目前的振荡器电路可分为两类：正弦振荡器和多谐振荡器。正弦振荡器可以产生近似正弦波的信号输出，一般频谱纯度高，相位噪声性能比较好。LC振荡器就是典型的正弦振荡器电路。多谐振荡器也可称为张驰振荡器，这类电路通过储能器件（通常是电容）在电路的两个门限电平之间来回充放电来工作的。张弛振荡器上储能元件的输出波形通常是线性或按照指数律变化的锯齿波。在开关元件两端则输出矩形波。环形振荡器是典型的张弛振荡器。2.4 VCO的起震条件振荡器产生周期信号，可以用反馈理论来分析。如下图所示，作为反馈振荡器，当它刚接通电源时，振荡电压是不会立即建立的，而必须经历一段振荡电压的振幅从无到有、逐步增长的过程，直到进入平衡状态，振荡电压的振幅和频率就会维持在相应的平衡值上此时，即使有外界不稳定因素的影响，振幅和频率仍应稳定在原平衡值附近，而不会产生突变或停止振荡。图12.5 VCO电路 环形振荡器是由若干个增益级首尾相连组成的。这个结构的总直流相位偏移为1800。容易看出，环路以2M*Td为周期振荡(Ts乃是每级再带一级负载而产生的延迟)。在典型的lC技术中，门延迟在工艺上是可控的，所以振荡器的频率及其变化范围能够在一定精度下预测。图2环形振荡器可采用多个增益级来构成。但对于单端电路，总的增益级级数必须是奇数，不然电路就会进入“闩锁”状态。这点从前面几节的分析中就可以看出。如果图28中的环形振荡器由5级反相器构成。那么振荡频率就是l(10T)。但如果放大级采用差分结构，就不一定要求级数是奇数了。因为只需要把差分输入的两端调换一下位置，就可以实现环路直流1800的倒相。所以采用差分对形式的增益级可以构成偶数级的环形振荡器。这是一个比较重要的特性。图3同时，环形振荡器可以产生多相位的波形，这一点也是它的一个重要的特性。射频高速系统中经常要用到正交信号。若采用4级的环形振荡器，振荡时每级的交流相移为45，每两级的交流相移就是90，从而可以很方便的得到0和90的本振信号。环形振荡器的级数是根据各种不同的要求来确定的，比如速度、功耗、噪声抑制能力等等。在大多数应用情况下，通常3到5级可以获得最优的性能。2.6 VCO的几种增益级环形振荡器中的增益级可以有多种实现方式，图4给出了几种实现方式。为了减小电源和衬底噪声的影响，通常每单元都采用差分结构。 图4经过无数研究者的改进和验证，从最初的简单的延迟单元演变出更多种类更好性能的延迟单元，从单端的延迟单元演变成差分延迟单元，从简单的负载演变成结构略为复杂但能带来性能上的提高的负载，目前的环形振荡器的研究正在向多样化结构发展。普遍采用的几种结构如图5-7所示。图5图6图72.7 提高环形振荡器振荡频率的几种方法如前面所述。如果要提高环形振荡器的振荡频率，关键在于减小单个延迟单元产生的延迟，而要达到这种目的，一般从两个方面考虑：一是针对环路连接结构做一些改动；二是可以考虑改变延迟单元内部的连接结构。对应上面的两个方面，当前采用的提高振荡器频率的主要方法有两种；一种称为前馈(feed-forward)或者双延迟路径技术(dual delaypaths technique)，是通过改变环路的结构来减少单元延迟的；另外一种是采用矢量叠加方法，通过改变延迟单元内部钓连接结构来减少单元延迟的。前馈技术或者双延迟路径技术的基本原理是：一般的环形振荡器结构内部仅存在一条环路，即延迟单元首尾相连所组成的主环路，而采用前馈技术或者双路延迟路径技术构成的环形振荡器结构内部则存在两条环路，即主工作环路和二级工作环路。主环路是连接每级延迟单元的N输入对管与前一级差分输出对管的环路(注意：连接原则是将极性相反的端相连)，而二级环路则是连接每级延迟单元的P输入对管与前两级的差分输出对(注意：连接原则是将极性相同的端相连)，如图8所示为一个三级的采用前馈技术连接的环形振荡器的框图。图8上图中粗实线部分代表的是主环路(priImry 100p)，细实线部分代表的是二级环路(secondary loop)。我们知道，P管的速度比N管要慢，采用前馈技术的目的就在于通过提前开启P管(也就是开启P管的电压比开启N管的电压先到达)来减少单个延迟单元的延迟时间，从而提高整个电路的振荡频率。参考资料1 毕查德拉扎维. 陈贵灿, 程君, 张瑞智等译. 模拟CMOS集成电路设计M.西安: 西安交通大学出版社, 2003.2 马龙. 宽调谐低相位噪声的环形压控振荡器设计D. 上海：上海交通大学, 2009.3 严菲. 环形压控振荡器的研究和电路设计D. 南京：东南大学，2007.4 王雪艳, 朱恩, 熊明珍, 王志功. 11GHz CMOS环形压控振荡器设计J. 半导体学报, 2005, 26(1): 187-1905 李浩. 集成SOI CMOS环形压控振荡器的研究D. 杭州电子科技大学6 陈永洁, 刘忠, 危长明, 王守军. 低相位噪声CMOS环形压控振荡器的研究与设计J. 微电子学, 2008, 38(6): 873-8777 马龙. 宽调谐低相位噪声的环形压控振荡器设计D: 硕士论文. 上海: 上海交通大学8 李旺,唐俊.频率源中低相噪VCO的研究与设计J. 固体电子学研究与进展. 2013(06) 9 Y. A. Eken, J. P. Uyemura. A 5.9GHz voltage controlled ring oscillator in 0.18m CMOS J. IEEE J. Solid-State Circuits, 2004, 39(1): 230-23310 S. Kurachi, T. Yoshimasu, N. Itoh, and K. Yonemura, 5-GHz band highly linear VCO IC with novel resonant circuit C. 2007 Tropical Meeting on Silicon Monolithic Integrated Circuits in RF Syste