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压控振荡器
压控振荡器作为无线收发机的重要模块,它不仅为收发机提供稳定的本振信号,还可以倍频产生整个电路所需的时钟信号。
它的相位噪声、调节范围、调节灵敏度对无线收发机的性能有很大影响。
文章首先介绍了振荡器的两种基本理论:
负反馈理论和负阻振荡理论。
分别从起振、平衡、稳定三个方面讨论了振荡器工作所要满足的条件,并对这些条件以公式的形式加以描述。
接着介绍了两种类型的压控振荡器:
环形振荡器和LC振荡器。
对这两种振荡器的结构、噪声性能和电源的敏感性方面做出了分析和比较,通过分析可以看出LC压控振荡器更加
适合于应用在射频领域。
紧接着介绍了CMOST艺可变电容和电感的物理模型,以及从时
变和非时变两个方面对相位噪声进行了分析。
最后本文采用csm25Rf工艺并使用CadeneeSpectreRF仿真器进行仿真分析,设计了一个COMSLC压控振荡器,频率变化范围为2.34GHz-2.49GHz,振荡的中心频2.4GHz,输出振幅为±480mV相噪声为100kHz频率偏移下-91.44dBc/Hz,1MHz频率偏移下-116.7dBc/Hz,2.5V电源电压下功耗为18mW
关键词:
LC压控振荡器;片上螺旋电感;可变电容;相位噪声,调谐范围。
ABSTRACT
Voltage-control-oscillatoristhecrucialcomponentsofwirelesstransceiver,itprovideslocalsignalandclockforthewholecircuit,itsperformanceparameter,suchas:
phasenoise,tuningrange,powerconsumption,havegreateffectonwirelesstransceivers.
Firstly,twooscillatortheorems:
negative-feedbacktheoremandnegative-resistancetheorem,arepresentedandtheconditionsofstartup,equilibrium,stabilizationrequiredforoscillatorarediscussedrespectively.
Secondly,weintroducetwotypesofVCO:
ringVCOandLCVCO,andmadeacomparisonbetweenthem,itisobviousthatLCVCOaresuitforRFapplication.ThephysicalmodelforMOSvaractorandplanarspiralinductorarepresent.
Atlast,aCOMSLCVCOwithcsm25rftechnologyispresented,theVCOoperatesat2.34GHzto2.49GHz,anditsoscillationfrequencyis2.4GHz.Theamplitudeis二480mV.Thephasenoiseat100kHzoffsetis-91.48dBc/Hz,and-116.7dBc/Hzat1MHz.Thepowerconsumptionofthecoreis18mWwith2.5Vpowersupply.
KeyWords:
LCVCO;on-chipspiralinductor;MOS-varactor;phasenoiseturningrange.
第一章绪论.1
1.1研究背景1
1.2LC压控振荡器的研究现状.2
1.2.1片上电感和可变电容.2
1.2.2相位噪声理论和降噪技术.2
1.3论文研究的主要内容3
第二章LC振荡器的基本原理5
2.1振荡器概述5
2.2反馈理论.5
2.2.1巴克豪森准则5
2.2.2平衡条件6
2.2.3稳定条件.7
2.3负阻理论8
2.3.1起振条件.8
2.3.2平衡条件.8
2.3.3稳定条件.9
2.4常见的振荡器11
2.4.1环形振荡器.11
2.4.2LC振荡器11
第三章压控振荡器的实现13
3.1环形振荡器13
3.2LC压控振荡器.14
3.2.1COMS变容管的实现14
3.2.2COMS工艺中的电感17
3.3LC压控振荡器的实现.21
3.3.1LC交叉耦合振荡器21
3.3.2压控振荡器的数学模型.22
3.3.3LC压控振荡器的实现23
3.4振荡器的相位噪声24
3.4.1相位噪声的知识.24
3.4.2非时变模型.26
3.4.3时变模型28
3.4.4降低相位噪声的方法.32
第四章2.4GHzLC压控振荡器设计方案34
4.1电路结构的选择34
4.2谐振器的设计34
4.2.1片上电感.34
4.2.2MIM电容35
4.2.3压控变容器(Varactor).35
4.2.4谐振器电路设计.35
4.3负电阻产生电路设计36
4.4外围电路36
4.5电源电路38
第五章仿真结果分析39
5.1电路模拟结果39
5.1.1LC压控振荡器V-f曲线39
5.1.2瞬态仿真曲线.40
5.1.3频谱分析曲线.40
5.1.4相位噪声仿真曲线.41
5.2VCO的性能总结42
结束语.43
致谢.44
参考文献.45
第一章绪论
1.1研究背景
随着集成电路技术的发展,电路的集成度逐渐提高,功耗变的越来越大,于是低功耗的CMOS技术优越性日益显著。
人们对CMOS工艺的研究大量增多,发现CMOS技术比其他工艺更适用于按比例缩小原理。
在过去的30年里正如摩尔预测的那样,每个芯片上的晶体管的数量每18个月就翻一番。
MOS管的沟道尺寸也从1960年的25u。
下降到现在的0.18um。
物理尺寸的缩小让芯片具有比以前更优的性价比。
等比例缩小原理的优点远不止在面积上,它还提高了CMOS器件的速度,现在CMOS工艺的晶体管的本征速度已经可以和双极器件相比较了。
据报道0.18um的CMOS工艺的N沟道晶体管的截止频率己经达到了60GHz。
原来只能用于标准数字集成电路的CMOS工艺也能用来设计高性能的模拟电路,甚至是射频电路。
CMOS工艺用于模拟电路的设计优点是显而易见的:
可在单块芯片上集成完整的收发器系统,即同一芯片上既集成模拟前端器件,又集成数字解调器。
如果采用BiCMOS工艺实现同样功能的芯片,不仅模拟电路部分的所需面积增加,而且还需给数字电路部分预留更大的芯片空间,这势必增加芯片生产的复杂性和消耗更多的硅晶圆。
近年来,无线通信系统和宽带接收机的迅猛发展,特别是手提无线设备(如无绳电话,对讲机,GPS)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。
COMS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/下频混频器,中频滤波器,本地振荡器,功率放大器等等,能够集成到单片COMS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COMS工艺上实现。
因此有可能在COMS工艺上实现从前端到后端的整个无线通信系统。
单片COMS实现的无线接收机是近几年学术界研究的热点问题,例如,Berkeley的PaulR.Gray的“用于无线电话的1.9GHz,宽频中频,两次变频接收机”项目⑴;UCLA的AsadA.Abdi研究的“在1umCMOS工艺上实现的,单片扩频无线接收机”[2,3];以及目前比较热门的GSM,DECT,Bluetooth,WLAN等接收系统。
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生。
在无线收发机的所有单元电路中,COMS全集成的电感电容压控振荡器
(LC-VCO)是在近几年间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噪声,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(Cmax/Cmin)的累积型MOS可变电容实现的压控振荡器是在COMS硅衬底上实现高性能压控振荡器的最佳选择。
1.2LC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
很明显。
虽然环形振荡器也能够工作到1-2GHZ,但是出于其相位噪声性能比电感电容谐振振荡器差很多,故而在1GHz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(PCB)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MOS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(Bondwire)电感
来实现高Q值电感,并采用反偏二极管的PN结电容来实现压控可变电容。
随着CMOS工艺的不断进步,基于片上螺旋电感的电感电容压控振荡器被广泛采用。
片上螺旋电感最主要的问题在于品质因数不是太高,一般nH级的电感在
1-2GHZ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:
第一,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CMOS
工艺上实现可变电容主要有四种结构:
PN结电容,普通MOS管电容,反型MOS管电容和累积型MOS管电容。
PN结电容是在N阱上做一层P+有源区,从而实现一个P+/n-well结电容;另外一类可变电容的实现方法是利用MOS管工作在不同的区域(强反型区、耗尽区和累积区)从而改变电容值。
根据MOS管的源极(S),
漏极(D)以及衬底(B)的不同连接方法,使得MOS管的电容可以分成三种不同的情况。
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MOS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一个最优结果。
另外,具有正交输出的压控振荡器的设计也是一个研究热点
1.2.2相位噪声理论和降噪技术
振荡器的输出信号,理想情况下应当是一个频谱纯净的正弦波,但是由于电子电路中的各种噪声以及温度、电源电压等的变化都会对振荡器的输出信号产生影响,使输出信号的振幅,相位和频率发生改变,振荡器的输出信号就会发生畸变,
频谱也成为中心频率附近的两个带状频率分布,如图1.1所示这些不希望出现的能量分布,就是相噪声。
(a)理想振荡器频谱图(b)实际振荡器频谱图
图1.1理想振荡器和实际振荡器的输出频谱图
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。
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,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。
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Razavi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AliHajimiri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,许多人提出了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CMOS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。
在论文的第二章主要介绍了LC振荡器的基本原理,包括了LC压控振荡器的分析方法,主要包括其反馈和负阻理论以及常见的振荡器。
接着第三章主要讨论了如何实现压控振荡器,首先介绍了指出了片上电感高频寄生效应以及模型和变容器的种类。
接下来介绍了相位噪声的产生和降噪方法。
第四章主
要是基于前面的介绍提出设计方案。
第五章则是基于此设计方案下的LC!
控振荡
器的仿真,结果显示,在2.5V工作电压条件下,中心振荡频率为2.4GHZ的LC振荡器,其调节范围为0.6V-1.4V所对应的输出频率为2.34GHz-2.49GHz,压控增益214MHz,相位噪声仿真结果为-91.44dBc@IOOkHz和-116.7dBc@1MHz。
功耗为18mW。
第二章LC振荡器的基本原理
2.1振荡器概述
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,即0Hz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到小,然后再从小到大的过程。
(二)振荡器的最终状态是输出固定频率和功率的状态,也就是说振荡器中产生大信号后向稳定的状态过渡,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。
分析和设计振荡器通常有两种常用的理论:
反馈理论和负阻振荡理论。
下面就来具体介绍这两种理论。
2.2反馈理论
2.2.1巴克豪森准则
众所周知,一个反馈系统可以产生振荡,下面介绍一下反馈系统的构成和起振的基本条件。
Vin+
H(w)
Vout
图2.1负反馈系统
图2.1的三角表示一个基本放大器,它的传输函数为H(w),环路的闭环增益为:
(2-1)
如果负反馈的输出相位偏移太大,经过反馈信号相减,使原来的信号得到增
强,那么振荡就会产生。
可以看出当H(s)=-1时,环路的闭环增益为无穷大。
这
时相位差为180°。
接下来考虑环路的增益,如果输入电压为Vo,那么:
由相关的数学知识知道当|H(w)|>1时,式(2-2)的结果是发散的,|H(w)|<1
时,上式可以表示为:
_Vo_
厂H—
(2-3)
当环路内的信号不断增强的情况下,振荡才有可能产生,所以可得到有关振荡器起振的两个基本条件:
(1)环路的闭环增益必须不小于1;
(2)负反馈的相移为180°。
这两点就是我们所熟知的“巴克豪森准则”
Vn
L
Vout
Jh/
//
+
180
360
H(w)
Vout
(a)相移180°的负反馈
(b)相移360°的正反馈
Vin*
Vout
0°
(c)相移为0°的正反馈
图2.2反馈振荡的其他几种形式
准则的第二个要点是负反馈的相移为180°,这一点不可狭义的理解,无论是正反馈还是负反馈只要是反馈的信号使原来的信号得到加强,而且环路的增益大于1,这样的结构都是满足起振振荡条件的,所以如图2.2的几种结构也是可行的。
第二点可以引申为:
=3600n,n=0,1,2,(2-4)
■表示正反馈信号与输入信号的相差。
2.2.2平衡条件
振荡器起振阶段信号很弱,满足起振条件以后,信号会不断增强,这种增强并不会无限制的进行下去,而是逐渐进入到输出的频率和功率都保持恒定的状态。
这种状态可以用下式表示:
Hj二H|门exp||j.=1(2-5)
这就是振荡器的平衡条件,可以将上式化为幅度条件和相位条件如下所示:
H‘=1(2-6)
©(皎)=360°n,n=0,1,2,(2-7)
振荡器从起始振荡阶段向平衡阶段的过渡,一般依靠振荡器中有源器件本身固有的非线性来实现的。
2.2.3稳定条件
振荡器除了要满足起振条件和平衡条件外,还需要满足稳定性条件。
当振荡
器由起振状态逐渐过渡到平衡状态后,如果受到细微的干扰(如:
噪声、温度、电
压的改变),则这种平衡状态将被打破。
在平衡状态被破坏后,振荡器的工作状态将会有两种变化趋势,可以用图2.3来表示。
左边这种状态,当电路中存在一个小扰动时(如电流和电压的变化),电路会
偏离原来的状态,而且离平衡的状态越来越远,极小的扰动都会造成电路新的状态离平衡点越来越远,很显然这种状态是不稳定的。
右边的这种状态则很稳定,即便电路有些扰动,电路的状态也只会在平衡点附近作来回抖动,不会偏离平衡点。
_CL
非稳定状态
稳定状态
O.一亠
(a)非稳定状态(b)稳定状态
图2.3平衡状态的两种变化趋势
放大器的传输函数不仅是频率的函数还是电压的函数。
H(v,w)表示它的传输
特性,当电压在平衡点附近变大时,H(v,w)变小,产生回到平衡点的趋势;同样当电压在平衡点处变小时,H(v,w)变大,也产生回平衡点的趋势。
由数学上函数的原理可知,只要满足式(2-8)无论电压变大或是变小,电路都有回到平衡点的趋势。
EH(V,国)
SV
Vo为平衡点的电压值,再综合以上的结论得到振荡器的稳定条件:
汨V,■
―Vo<0(2-9)
点V
©阳=360°n,n=0,1,2,(2-10)
只要满足上面两个式子,振荡器就可以稳定工作。
2.3负阻理论
在负阻理论中不再将振荡器看成由放大器和反馈网络组成的两端口网络,而是将振荡器看成一个单端口网络进行分析,并针对端口呈现的负值阻抗进行设计。
图2.4为负阻振荡模型。
Oscillator
Load
■
i
Zo二-Ro+jXoZl二RL+jXl
图2.4负阻振荡模型
2.3.1起振条件
假设电路的等效电感和电容分别为:
L和C,贝U可以列出整个电路的电流方程:
-2
1
L界Rl-Rdii=0(2-11)
:
t:
tC
411
求方程的解,当满足12<0时,方程的特征解为:
C(Rl-Rd)
i=le曲cos(cot+申)(2-12)
其中〉二乩込。
2L
在振荡器起振时要求信号的幅度越来越大,也就是i随着t的增加而变大,这
就需要:
Rl-Rd<0(2-13)
由式(2-13)可以看出振荡器的阻值必须为负值,而且它的绝对值应大于负载的阻值。
这就是负阻理论的起振条件。
2.3.2平衡条件
当振荡器电路满足式(2-13)后,信号的振幅会逐渐变大。
随着信号幅度的增
大,电路中的各种非线性因素起到的作用也越来越大,譬如振荡器的负阻会随着
振幅的加大而逐渐减小,这些因素会使信号的幅度不会无限制的增大下去,而是进入一个稳定状态。
下面就来讨论振荡达到稳态时的条件。
可以参考图2-4,由振荡器和负载组成回路,在稳态时电路中已有大信号存在。
假设稳定状态的回路电流为i二:
,忽略回路电流中的谐波分量,并对其取实部,可得负载两端的电压为:
Vlt=I||Rlcos・tK']-XlSin':
」(2-14)
振荡器两端的电压为:
Vot]=l||Rocos•■W'W-XoSin•(2-15)由于没有外加交流分量,器件两端的电压应该和振荡器两端的电压相等,可得:
(2-16)
(2-17)
(2-18)
V。
t-Vlt
由三角函数的正交性可得:
Xl2厂X。
I=0
RoI-Rl=0
这就是振荡器的平衡条件。
233稳定条件
只满足起振条件和平衡条件是不够的,还必需满足稳定条件的需要,下面在满足上述两个条件的情况下来分析稳定条件。
当环路达到平衡状态是,环路内的
电流己是大信号,它的幅度和相位随时间变化,对时间求导:
(2-19)
(2-20)
Zl•■对「求
jRedf=Rej「「g八‘dtdt|L乙dtIdt
可把式(2-19)中的复角频率设为w',如下:
驶+芒_j丄鱼
dtIdt
由于,「和I是时间的缓变函数,所以,■,dI一…,,然后,
dtdt
导可得:
Zl'Zl
dZL,d;ddt
上式为负载阻抗随时间的变化率,而振荡器阻抗ZoI近似不变。
这时回路仍满足
分离变量可得下面两式:
(2-22)
(2-23)
(2-24)
(2-25)
■y丨0次0(丨0)
X0(I0)c]
它们被称为器件负阻的饱和系数与器件电抗的饱和系数。
式(2-26)和(2-27)消去—,可得:
dt
轨心)-YRl@)吭(1。
问+Zl@『豊=0
1dt
对于稳定工作点要求I与9」符号相反可得:
dt
SX「•-Rl'「R0I00
(2-29)
(2-30)
(2-31)
(2-16)式,即:
ZoIZl•=0
d申'1dl
XoIXl()XlRl0
dtIdt
d甲'1dl
-R)I)^Xl0
dtIdt
I0为平衡点的电流值,匚I表示一个随电压改变的幅度值。
把式(2-25)代入
式(2-23)和(2-24)可以得到:
aI,d®,1db|“
SR0IoRlXl0(2-26)
I0dt10dt
牛▽I'd®'1dbI/ccr、
RdIoXlRl0(2-27)
I0dtI0dt
其中S,分别为:
(2-28)
这就是负阻振荡理论的稳定条件。
由实际的设计经验可知振荡器的阻抗决定了输出信号的主要特征,阻抗的实部确定了输出的功率,虚部则决定了输出的频率。
而且大量的研究证明现在常用的振荡器结构都是可以过渡到稳定状态,所以设计振荡器可以针对起振和平衡条件来设计,然后再细微调节一下器件参数,就可以得到所需的设计[4,5]
2.4常见的振荡器
按振荡器的结构可以大致把振荡器分成环形振荡器和LC振荡器,下面分别介
绍一下这两种振荡器的基本特征。
2.4.1环形振荡器
环形振荡器是较常见的振荡器类型,它
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