基于开关电容调谐的宽带CMOS压控振荡器设计

作     者：周帅林 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：时龙兴

授予年度：2004年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：射频集成电路 压控振荡器 调谐范围 平面螺旋电感 变容二极管 开关电容 相位噪声 

摘      要：压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator,简称VCO)是锁相环(PLL)的重要组成单元,它在很大程度上决定了PLL的性能.片上全集成压控振荡器设计是接收机中采用当前CMOS工艺最具挑战的部分.在多种射频工艺(GaSe、SiGe、Bipolar、CMOS)中,CMOS工艺以其集成度高,低廉的成本逐渐得到广泛应用,因此,片上CMOS VCO也成为当前射频领域研究的热点.宽范围调谐VCO模块是双变频结构的数字电视调谐器专用芯片中的一个重要模块,由于该芯片要把电视输入信号(48MHz~860MHz)上变频到固定的第一中频(大约1.22GHz),所以,该课题设计的VCO模块必须具有宽带,高性能等特点,而且是一个典型的数模混合集成电路设计.论文首先简单介绍了片上VCO设计国内外的发展状况,并提出了论文的设计目标,具体目标是实现一个输出频率范围为1.2GHz~2.1GHz,相位噪声为-77dBc/10KHz的宽带CMOS压控振荡器.然后论文对开关电容调谐的LC VCO设计理论进行了详细的分析,包括振荡器工作原理、VCO性能指标、VCO常用结构、片上电感和变容管的相关理论、开关电容调谐理论、Leeson和Hajimiri相位噪声模型,相位噪声估计等.论文重点阐述了该课题的宽调谐范围的VCO的数模混合电路的实现方案,在方案中,利用了3个VCO实现宽范围频率覆盖,每个VCO内部采用了小变容管与开关电容阵列组成调谐回路,并利用数模混合电路实现了VCO的快速启动控制、VCO的输入电流自动控制、VCO开关电容自动切换,3个VCO双向自动转换等关键技术.在电路设计分析完成之后,用Candence Virtuoso软件实现了电路的版图设计,并对版图设计中的一些要点进行了说明,譬如版图的对称性,寄生效应等.最后,使用Synopsis Hspice和Cadence SpectreRF对电路进行了仿真分析,并结合Verilog-A行为级建模语言实现了数模混合电路验证,给出了各个模块的性能指标.仿真结果表明,在使用小调节范围的变容管的前提下,使用开关电容调谐结构VCO能有效拓展了VCO的频率覆盖范围,3个VCO覆盖范围满足系统的要求,VCO的相位噪声性能达到了设计要求.另外,该课题的VCO模块在特许工艺流片,进行了测试,并把测试结果和仿真结果进行了详细的对比、分析和总结.