无线通信用LC压控振荡器

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1、摘要摘要无线通信系统的蓬勃发展、个人数据通信的迅速增长推动了低成本、低功耗无线收发系统的研究与开发。同时集成电路工艺的不断进步，器件特征频率的持续提高，也使得无线收发系统中大部分电路的单片集成成为可能。本文主要研究的LC压控振荡器是射频收发机前端的核心电路，其作用是在尽可能少引入相位噪声的条件下为混频器和分频器提供本振信号，其性能优劣对收发机系统有很大影响。压控振荡器通常作为射频通信系统上变频和下变频的本地振荡器。现代通信系统中不断增加的带宽需求对本地振荡器的振荡信号频谱纯度提出了更加严格的要求。为了减小因频谱不纯对接收机或发射机产生不良影响，要求本地振荡器具有很低的相位噪声。另一方面，由于

2、振荡器是一个非线性时变系统，因此对其进行相位噪声分析是一个难题。实际设计中通常借助仿真工具进行参数扫描，找出各个元件值的最优组合。但这样的过程缺乏理论依据的支持。本文采用CMOS工艺和SiGeBiCMOS工艺设计应用于无线通信系统的LC压控振荡器，并针对振荡器的相位噪声做了比较系统的分析，整理出了一种适用于工程实践的优化方法。最后在理论分析的基础上设计了应用于不同无线通信系统的三块VCO芯片。文中相位噪声分析方法是基于Hajimiri提出的线性时变(1ineartimevariant，L1V)模型进行的。L1V模型提供了一个比较准确的分析相位噪声的方法，但存在脉冲敏感度函数(impulses

3、ensitivefunction，ISF)不易获得的问题，影响了它的广泛应用。本文总结出简单求解ISF函数的方法。通过对振荡器电路的一次瞬态仿真即可得到ISF函数的数值解，或者更简单地，近似振荡波型为理想正弦波，通过正弦函数得到ISF函数的解析解。再通过计算就可以得到电路的相位噪声。接下来将L1V模型应用于不同工艺和结构的振荡器电路，如CMOS振荡器、双极性振荡器、LC差分负阻振荡器和Colpitts振荡器，使相位噪声的分析有了理论依据。在相位噪声的分析过程中，用变量表示需要优化的电路参数。计算过程中使用ISF函数的解析解，把相位噪声表示为元件参数的函数，完成了相位噪声的优化过程。由于在相位

4、噪声的优化过程中通常不需要找到最小的相位噪声值，而更希望得到以电路参数表示的相位噪声函数的解析式或曲线，本文进～步简化了线性时变模型的分析方法，在相位噪声的计算过程中以噪声载波功率比为函数，电路参数为自变量，简化了计算过程，得到相位噪声函数的解析式并做出函数曲线，依据函数解析式或曲线找到某电路参数理论上的最优值，从而完成优化过程。在此指导下进行电路设计可以达到事半功倍的效果。文中具体给出了CMOSLC差分负阻振荡器中MOS管宽长比和谐振腔电感值的优化过程以及双极性Colpitts振荡器中电容分压比的优化过程。论文第一章介绍了课题背景和压控振荡器的研究现状。由于半导体材料和器件是集成电路电路设

5、计的基础，本论文设计的压控振荡器采用CMOS和SiGeBiCMOS工艺。因此，在第二章详细介绍这两种工艺，列举了两种工艺的特点和主要器件的参数指标，并分析MOS晶体管和SiGeI-IBT晶体管的噪声模型。第三章分析了振荡器的工作原理，尤其是对电压偏置型LC差分负阻振荡器和Colpitts振荡器作了详细分析，总结了这两类振荡器的一般分析方法。由于相位噪声是振荡器的一个重要性能指标，第四章对相位噪声做了详细研究。首先分析了相位噪声的产生机理，推导出压控增益与相位噪声间的关系。接着论述了通信系统中相位噪声与信噪比的关系以及锁相环中的相位噪声。最后介绍了相位噪声分析中的常用模型并对它们的优劣进行了比

6、较。着重分析了Leeson模型和Hajimiri提出的线性时变模型。对于线性时变模型中冲击敏感度函数不易获得的问题，整理出了简单实用的求解方法。通过对振荡器电路的一次瞬态仿真得到ISF函数的数值解，或者更简单的近似振荡波型为理想正弦波，通过正弦函数得到ISF函数的解析解。第五章和第六章将相位噪声分析方法应用于具体的电路设计，给出了参数优化的方法，并在电路实践中得到验证。第五章采用0．18．1amCMOS工艺设计了两个电压偏置型LC差分负阻振荡器，应用于DVB．T接收机。设计过程中对相位噪声进行了优化。先后将MOS晶体管宽长比和谐振腔电感值作为设计变量，应用线性时变模型推导出相位噪声与设计变量

7、之间的函数关系，从理论上给出相位噪声性能最优的元件参数取值范围。鉴于优化过程中通常不需要找到最小函数值，而更希望得到以参变量表示的解析式或曲线，推导过程中以噪声载波功率比代替了相位噪声。为进一步简化推导过程，针对电路特点按晶体管工作状态细分电路工作区域，这样避免了大量积分运算，尽可能以简单的比例形式得到相位噪声与设计变量间的函数关系。芯片设计在理论分析的指导下进行。最后测试结果表明，窄频带VCO的振荡频率范围