無線通信用LC壓控振蕩器.pdf

1、無線通信系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展、個人數(shù)據(jù)通信的迅速增長推動了低成本、低功耗無線收發(fā)系統(tǒng)的研究與開發(fā)。同時集成電路工藝的不斷進步，器件特征頻率的持續(xù)提高，也使得無線收發(fā)系統(tǒng)中大部分電路的單片集成成為可能。本文主要研究的LC壓控振蕩器是射頻收發(fā)機前端的核心電路，其作用是在盡可能少引入相位噪聲的條件下為混頻器和分頻器提供本振信號，其性能優(yōu)劣對收發(fā)機系統(tǒng)有很大影響。壓控振蕩器通常作為射頻通信系統(tǒng)上變頻和下變頻的本地振蕩器?，F(xiàn)代通信系統(tǒng)中不斷增加的帶寬需

2、求對本地振蕩器的振蕩信號頻譜純度提出了更加嚴格的要求。為了減小因頻譜不純對接收機或發(fā)射機產(chǎn)生不良影響，要求本地振蕩器具有很低的相位噪聲。另一方面，由于振蕩器是一個非線性時變系統(tǒng)，因此對其進行相位噪聲分析是一個難題。實際設(shè)計中通常借助仿真工具進行參數(shù)掃描，找出各個元件值的最優(yōu)組合。但這樣的過程缺乏理論依據(jù)的支持。 本文采用CMOS工藝和SiGe BiCMOS工藝設(shè)計應用于無線通信系統(tǒng)的LC壓控振蕩器，并針對振蕩器的相位噪聲做了比較

3、系統(tǒng)的分析，整理出了一種適用于工程實踐的優(yōu)化方法。最后在理論分析的基礎(chǔ)上設(shè)計了應用于不同無線通信系統(tǒng)的三塊VCO芯片。文中相位噪聲分析方法是基于Hajimiri提出的線性時變(linear time variant，LTV)模型進行的。LTV模型提供了一個比較準確的分析相位噪聲的方法，但存在脈沖敏感度函數(shù)(impulse sensitive function，ISF)不易獲得的問題，影響了它的廣泛應用。本文總結(jié)出簡單求解ISF函數(shù)的方法

4、。通過對振蕩器電路的一次瞬態(tài)仿真即可得到ISF函數(shù)的數(shù)值解，或者更簡單地，近似振蕩波型為理想正弦波，通過正弦函數(shù)得到ISF函數(shù)的解析解。再通過計算就可以得到電路的相位噪聲。接下來將LTV模型應用于不同工藝和結(jié)構(gòu)的振蕩器電路，如CMOS振蕩器、雙極性振蕩器、LC差分負阻振蕩器和Colpitts振蕩器，使相位噪聲的分析有了理論依據(jù)。在相位噪聲的分析過程中，用變量表示需要優(yōu)化的電路參數(shù)。計算過程中使用ISF函數(shù)的解析解，把相位噪聲表示為元件參

5、數(shù)的函數(shù)，完成了相位噪聲的優(yōu)化過程。由于在相位噪聲的優(yōu)化過程中通常不需要找到最小的相位噪聲值，而更希望得到以電路參數(shù)表示的相位噪聲函數(shù)的解析式或曲線，本文進一步簡化了線性時變模型的分析方法，在相位噪聲的計算過程中以噪聲載波功率比為函數(shù)，電路參數(shù)為自變量，簡化了計算過程，得到相位噪聲函數(shù)的解析式并做出函數(shù)曲線，依據(jù)函數(shù)解析式或曲線找到某電路參數(shù)理論上的最優(yōu)值，從而完成優(yōu)化過程。在此指導下進行電路設(shè)計可以達到事半功倍的效果。文中具體給出了C

6、MOS LC差分負阻振蕩器中MOS管寬長比和諧振腔電感值的優(yōu)化過程以及雙極性Colpitts振蕩器中電容分壓比的優(yōu)化過程。 論文第一章介紹了課題背景和壓控振蕩器的研究現(xiàn)狀。由于半導體材料和器件是集成電路電路設(shè)計的基礎(chǔ)，本論文設(shè)計的壓控振蕩器采用CMOS和SiGe BiCMOS工藝。因此，在第二章詳細介紹這兩種工藝，列舉了兩種工藝的特點和主要器件的參數(shù)指標，并分析MOS晶體管和SiGe HBT晶體管的噪聲模型。第三章分析了振蕩器的

7、工作原理，尤其是對電壓偏置型LC差分負阻振蕩器和Colpitts振蕩器作了詳細分析，總結(jié)了這兩類振蕩器的一般分析方法。由于相位噪聲是振蕩器的一個重要性能指標，第四章對相位噪聲做了詳細研究。首先分析了相位噪聲的產(chǎn)生機理，推導出壓控增益與相位噪聲間的關(guān)系。接著論述了通信系統(tǒng)中相位噪聲與信噪比的關(guān)系以及鎖相環(huán)中的相位噪聲。最后介紹了相位噪聲分析中的常用模型并對它們的優(yōu)劣進行了比較。著重分析了Leeson模型和Hajimiri提出的線性時變模型

8、。對于線性時變模型中沖擊敏感度函數(shù)不易獲得的問題，整理出了簡單實用的求解方法。通過對振蕩器電路的一次瞬態(tài)仿真得到ISF函數(shù)的數(shù)值解，或者更簡單的近似振蕩波型為理想正弦波，通過正弦函數(shù)得到ISF函數(shù)的解析解。第五章和第六章將相位噪聲分析方法應用于具體的電路設(shè)計，給出了參數(shù)優(yōu)化的方法，并在電路實踐中得到驗證。第五章采用0.18-μm CMOS工藝設(shè)計了兩個電壓偏置型LC差分負阻振蕩器，應用于DVB-T接收機。設(shè)計過程中對相位噪聲進行了優(yōu)化。

9、先后將MOS晶體管寬長比和諧振腔電感值作為設(shè)計變量，應用線性時變模型推導出相位噪聲與設(shè)計變量之間的函數(shù)關(guān)系，從理論上給出相位噪聲性能最優(yōu)的元件參數(shù)取值范圍。鑒于優(yōu)化過程中通常不需要找到最小函數(shù)值，而更希望得到以參變量表示的解析式或曲線，推導過程中以噪聲載波功率比代替了相位噪聲。為進一步簡化推導過程，針對電路特點按晶體管工作狀態(tài)細分電路工作區(qū)域，這樣避免了大量積分運算，盡可能以簡單的比例形式得到相位噪聲與設(shè)計變量間的函數(shù)關(guān)系。芯片設(shè)計在理

10、論分析的指導下進行。最后測試結(jié)果表明，窄頻帶VCO的振蕩頻率范圍為1150～1210 MHz，相位噪聲為10kHz頻偏處-89 dBc/Hz，核心電路功耗7.7 mW，50-Ω負載阻抗上的單端輸出功率-3 dBm。另一塊寬頻帶VCO的振蕩頻率范圍1173～1900 MHZ，相位噪聲為10kHz頻偏處-83dBc/Hz，核心電路功耗15.8 mW，50Ω負載阻抗上的單端輸出功率-8 dBm。第六章采用0.35μm SiGe工藝設(shè)計Colp

11、itts振蕩器，應用于ISM(Industrial Scientific and Medical)波段的集群通信系統(tǒng)。設(shè)計過程中以相位噪聲為優(yōu)化目標，Colpitts振蕩器的電容分壓比作為設(shè)計變量。雙極性晶體管的指數(shù)率特性使計算過程較為繁瑣，文中采用Bessel函數(shù)簡化計算過程。對電路中不同的噪聲源，電容分壓比的最優(yōu)值并不相同，文中分別作了計算。電路設(shè)計時按照各噪聲源的影響大小選擇合適的電容分壓比，使總相位噪聲最小。最后在理論分析的指導