硅基压控振荡器的研究与设计
发布时间：2021-01-27 22:13
科技改变生活,随着5G时代的到来,万物互联成为可能。其背后蓬勃发展的通信系统夯实了基础,高速率、低延时、稳定可靠的通信收发机则有着更为迫切的需求,电路设计者也面临全新的挑战。压控振荡器被视为电子电路的心脏,为系统提供本振或时钟信号;硅基工艺由于其廉价及卓越的数字兼容能力得到了广泛应用。然而硅基工艺本身噪声大、无源损耗高的缺陷使得硅基压控振荡器的性能受到限制。也正是因为此,硅基压控振荡器成为了学术和工业界的研究热点。对硅基压控振荡器的研究由来已久,新的结构、新的理论被陆续提出。本文首先总结了近几十年来一些经典的振荡器结构及分析理论,并根据分析结论总结了改善振荡器相噪的方法。此外,振荡器设计中无源器件的创新也越来越受到重视,许多基于新型电感和变压器的结构被提出。本文对无源器件进行了详细的阐述,并对关键的损耗机制及优化方法做了大量仿真验证。随后本文设计了一款7GHz的压控振荡器;该振荡器使用65nm CMOS工艺。为改善相噪性能提出了一种高Q值的F23电感,该电感在与单端电容结合后,可以实现二次及三次谐波同时谐振;谐波的引入使振荡器对噪声敏感程度下降,因而可以显著的改善...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
移动通信网络发展图
电子科技大学硕士学位论文6带宽内的噪声功率Pn与载波功率Pc比值并取10倍对数，即有：n10P10logPcf(2-1)相位噪声是一个非常重要的参数，通信系统中相位噪声会影响收发机的信噪比，从而影响通信质量；而作为数字系统时钟时，相噪会影响眼图质量，会在解调时对误码率产生影响。图2-2压控振荡器输出频谱（3）调谐范围(TuningRange)：英文简称TR；定义为可调谐频率最大值fmax和最小值fmin的差值，即TR=fmax-fmin。该参数反映了压控振荡器的频率覆盖能力。TR越大，电路的设计越复杂。为了归一化比较，也会使用相对调谐带宽来衡量不同中心频率的压控振荡器频率覆盖能力，其定义为TR与中心频率f0比值的百分数：maxmin0()100ffTRf%%(2-2)（4）调谐灵敏度KVCO：亦称之为调谐增益，定义为单位控制电压加入电路之后信号频率的变化量，单位为Hz/V或者(rad/s)/V。该参量反映了压控振荡器频率变化的灵敏程度。通常而言，压控振荡器的KVCO不是一个常数且具有非线性，这通常是我们所不希望看到的。除此之外。为了增大压控振荡器的调谐范围，KVCO的值一般较大，但是这样通常会恶化相位噪声性能并带来更强的非线性，因此KVCO的值在设计时需要谨慎考虑；其数学定义为：VCOKV(2-3)（5）功耗(PDC)：压控振荡器是一类非线性很强的电路，电路的功耗为稳定工作时消耗的直流电压与直流电流的乘积。一般而言，相位噪声与直流功耗正相关，即消耗的直流功耗越大，相噪性能越好，因而设计者会提高压控振荡器消耗的功耗
电子科技大学硕士学位论文8在电路设计过程中，考虑到H(s)F(s)=1是一个周期内的平均值，因此在电路起振时，应确保H(s)F(s)>1。只有这样电路在上电之后，最终输出电压摆幅才可以从零逐渐增大，并最终达到一个稳定的终值。图2-3基本负反馈系统框图2.2.2负阻振荡原理反馈振荡理论是一个普适的理论，而对于射频电路里面常用的LC振荡器采用负阻理论会使分析更加的直观简洁[12]。在介绍负阻振荡理论之前，先考察理想的LC网络和实际的LC谐振网络分别受到冲激电流激励后的响应。如图2-4(a)所示，在零时刻与之并联的电流源注入一个幅度为I0的冲激电流，由于流过电感的电流不能发生突变，冲激电流将完全流过电容C并对其充电，使其两端的电压瞬间达到IoC。随后电容将放电即幅度逐渐减小，经过1/4个周期之后，电容两端的电压为零即存储的电场能量为零；而电感中通过的电流却达到最大，所存储的磁场能量最多。由于电感的电流不能突变，因此从1/4周期时刻开始，电感存储的能量给电容进行反方向充电，输出电压会从负值逐渐减小(绝对值增大)。在1/2周期时刻，电容两端的电压差又达到最大，即此时电容存储的电场能量又达到最多。在下半个周期内电容将反相放电，经历与前半周期相似过程。如此周而复始，能量在电感和电容之间相互转化，输出电压以正弦的形式变化，恒定幅度的振荡建立起来。振荡的频率由电感电容值的大小决定：012fLC(2-8)(a)(b)图2-4冲激电流激励理想LC谐振网络。(a)电路原理图；(b)输出电压波形
本文编号：3003826
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
移动通信网络发展图
电子科技大学硕士学位论文6带宽内的噪声功率Pn与载波功率Pc比值并取10倍对数，即有：n10P10logPcf(2-1)相位噪声是一个非常重要的参数，通信系统中相位噪声会影响收发机的信噪比，从而影响通信质量；而作为数字系统时钟时，相噪会影响眼图质量，会在解调时对误码率产生影响。图2-2压控振荡器输出频谱（3）调谐范围(TuningRange)：英文简称TR；定义为可调谐频率最大值fmax和最小值fmin的差值，即TR=fmax-fmin。该参数反映了压控振荡器的频率覆盖能力。TR越大，电路的设计越复杂。为了归一化比较，也会使用相对调谐带宽来衡量不同中心频率的压控振荡器频率覆盖能力，其定义为TR与中心频率f0比值的百分数：maxmin0()100ffTRf%%(2-2)（4）调谐灵敏度KVCO：亦称之为调谐增益，定义为单位控制电压加入电路之后信号频率的变化量，单位为Hz/V或者(rad/s)/V。该参量反映了压控振荡器频率变化的灵敏程度。通常而言，压控振荡器的KVCO不是一个常数且具有非线性，这通常是我们所不希望看到的。除此之外。为了增大压控振荡器的调谐范围，KVCO的值一般较大，但是这样通常会恶化相位噪声性能并带来更强的非线性，因此KVCO的值在设计时需要谨慎考虑；其数学定义为：VCOKV(2-3)（5）功耗(PDC)：压控振荡器是一类非线性很强的电路，电路的功耗为稳定工作时消耗的直流电压与直流电流的乘积。一般而言，相位噪声与直流功耗正相关，即消耗的直流功耗越大，相噪性能越好，因而设计者会提高压控振荡器消耗的功耗
电子科技大学硕士学位论文8在电路设计过程中，考虑到H(s)F(s)=1是一个周期内的平均值，因此在电路起振时，应确保H(s)F(s)>1。只有这样电路在上电之后，最终输出电压摆幅才可以从零逐渐增大，并最终达到一个稳定的终值。图2-3基本负反馈系统框图2.2.2负阻振荡原理反馈振荡理论是一个普适的理论，而对于射频电路里面常用的LC振荡器采用负阻理论会使分析更加的直观简洁[12]。在介绍负阻振荡理论之前，先考察理想的LC网络和实际的LC谐振网络分别受到冲激电流激励后的响应。如图2-4(a)所示，在零时刻与之并联的电流源注入一个幅度为I0的冲激电流，由于流过电感的电流不能发生突变，冲激电流将完全流过电容C并对其充电，使其两端的电压瞬间达到IoC。随后电容将放电即幅度逐渐减小，经过1/4个周期之后，电容两端的电压为零即存储的电场能量为零；而电感中通过的电流却达到最大，所存储的磁场能量最多。由于电感的电流不能突变，因此从1/4周期时刻开始，电感存储的能量给电容进行反方向充电，输出电压会从负值逐渐减小(绝对值增大)。在1/2周期时刻，电容两端的电压差又达到最大，即此时电容存储的电场能量又达到最多。在下半个周期内电容将反相放电，经历与前半周期相似过程。如此周而复始，能量在电感和电容之间相互转化，输出电压以正弦的形式变化，恒定幅度的振荡建立起来。振荡的频率由电感电容值的大小决定：012fLC(2-8)(a)(b)图2-4冲激电流激励理想LC谐振网络。(a)电路原理图；(b)输出电压波形
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