cmos集成振荡电路设计【字数：10926】
摘 要振荡器是产生稳定的、周期性随时间变化的输出波形的电子电路，随着现代电子技术工艺的发展，原来外围的晶体震荡电路逐步被集成到芯片内部，提高了电路的集成度，广泛用于各种锁相电路和通信电路中。本文主要设计了CMOS环形压控振荡器，CMOS集成压控振荡器具有工艺成本低、功耗低、领域宽、与后端数字电路相兼容等特点使得它应用非常广泛。在集成电路领域中常使用两种类型的压控振荡器，即LC压控振荡器和环形压控振荡器。本文介绍了集成压控振荡器的发展及现状、振荡器的原理、并提出相应指标和要求，还进行了环形压控振荡器的设计，设计基于Mentor公司的Tanner软件设计流程，采用通用的Generic_250nmCMOS工艺，完成了环形振荡器的SPICE仿真，以及相应的版图设计并对仿真结果进行了分析。
目录
1.绪论 1
1.1课题研究背景及意义 1
1.2 课题的研究现状 2
1.2.1 振荡器的发展概述 2
1.3 论文的章节安排 4
2.CMOS环形压控振荡器的基本工作原理 5
2.1 Tanner软件相关介绍 5
2.1.1软件介绍 5
2.1.2 Tanner软件的设计流程 6
2.2振荡器的分类介绍 7
3.CMOS环形压控振荡器的设计实例 13
3.1 振荡原理 13
3.2 环形振荡器设计 13
3.2.1 差分延时单元设计 13
3.2.2 控制电源模块 16
3.2.3 环形振荡器 17
3.3 驱动电路模块 18
3.4 电路仿真与分析 19
3.4.1 输出分析 19
3.4.2 电容对输出影响 20
3.4.3 电压对输出影响 21
3.4.4 温度对输出影响 22
4.版图设计 24
4.1 版图设计规则和注意事项 24
4.2 环形振荡版图 24
5.总结与展望 26
5.1 论文总结 26
5.2 展望 26
参考文献 27
致 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
谢 28
1、绪论
1.1课题研究背景及意义
当今社会处于一个无线通信迅猛发展的时代，无线通信设备基本普及，随着科技的发展，我们即将迎来5G时代。用户对通信速度的要求越来越高，目前普及的4G技术已经无法满足用户的需求，即将迎来的5G时代无论在传输速度上或者是频谱的利用率上都将比4G高很多。完整的无线收发系统由天线、接收机、发射机组成，发射信号时，混频器将本地振荡器产生的载波信号和送入的低频模拟信号调制后经过天线发射，接收信号时，天线收到的信号经过处理成所需的中频信号，再通过混频器解调送后方处理[1]，系统装置如图1.1所示。
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图1.1 无线收发装置
振荡器在整个过程中起着关键性作用，性能好的振荡器可以使整个收发装置良好的工作。随着集成电路行业越来越热，CMOS工艺具有容易集成、功耗低和制造成本低等优点，广泛应用于各种无线产品中，主要用于时钟产生及恢复、通信系统设备中，已成为集成电路的发展趋势。在通信设备中用来对信号调制或者解调的电路一般由锁相环构成，锁相环是由鉴相器（Phase detector）、环路滤波器(Loop filter)、压控振荡器(Voltage controlled oscillator)三部分组成，主要是利用外部输入信号来对内部振荡信号的频率和相位进行控制，实现输出信号的频率随着输入信号频率的变化而变化，保持输出电压和输入电压有固定的相位差或者相位相等[2]。而压控振荡器是锁相环的心脏，发挥着至关重要的作用，其用来调节控制电压来控制收发机中所需的本振信号的频率。压控振荡器（voltagecontrolled oscillator）作为时钟电路、锁相环和频率综合器的核心模块，广泛应用于移动通讯设备、无线通信系统、卫星导航等。在CMOS 集成电路（integrated circuit）中常用到的两种传统的压控振荡器，主要是环形压控振荡器和LC压控振荡器。LC压控振荡器虽然Q值较高并且有良好的噪声抑制能力，但是由于电感的存在使其芯片面积较大，不利于集成，而环形压控振荡器具有很宽的调谐范围且不占用很大面积便于集成，因此在现在的集成电路行业中被广泛应用[1]，设计一个高性能的线性度高的压控CMOS振荡器具有重要的实际应用价值。
1.2 课题的研究现状
1.2.1 振荡器的发展概述
振荡器是一个可以将输入的直流信号转换为周而复始的交流信号并以电压形式输出的器件，然而在持续不断的输出时并不存在输入。当今正处于科技飞快发展的时代，振荡器广泛应用众多领域中，尤其在电子系统中充当着重要组成部分。振荡器技术从20世纪初以来，其技术进步大致经历了真空电子管时代、晶体管时代、单片集成振荡器时代等几个阶段[3]。
在20世纪初，Edwin Armstrong提出了外差原理并基于这一原理发明了第一款电子管压控振荡器，这种压控振荡器通过配置真空管来实现对频率变换的控制[4]。此后，Ralph V.L.Hartley通过更先进的真空管技术改良振荡电路，成功研制出了具有更宽频率范围的真空电子管振荡器，振荡器进入了电子管时代，由于电子管具有线性度好、强的带负载能力、适用于高频大功率系统，因此被广泛应用于通信设备中。随着时代的发展，因为电子管具有体积大、功耗大、易破损、需要很高的电压等特点，所以真空晶体管振荡器已经无法满足人们的需求[5]。
在20世纪40年代末，一种比电子管的体积小、功耗低、不易损坏且不需要很高的电源电压的晶体管问世，基于它具有的众多优点使其将电子管的地位取而代之。在20世纪60年代至80年代期间，由于变容二极管的发明，促进了振荡器技术的发展，由于变容二极管的电容受外加的电压控制，将变容二极管作为压控振荡器的无源元件，使得压控振荡器很容易的通过改变其控制电压来调节输出频率。20世纪80年代以后，随着半导体工艺技术的发展，之前的基于晶体管和变容二极管的分立式晶体管压控振荡器已经不能满足当时的电子系统在无线通信等领域中的需求了，移动设备开始流行，开始出现了单片集成压控振荡器。把电阻、高频电容、Q值较高的电感等无源元件集成在同一块芯片上，大大减少了元件所占用的面积，因此也降低了成本，这种单片集成振荡器技术成为振荡器研究的重点方向。
1.2.2 振荡器的国内外发展现状
振荡器从发明以来，广泛应用于众多领域，随着时代的变迁，人们的生活水平日益增长，工艺上对振荡器的性能要求越来越高。从21世纪初开始，振荡器面临着多方面的挑战和困难，如设计方面，设计者需要从振荡器制作工艺的占用面积、线性度、功耗、调谐范围等多方面考虑，设计符合用户需求的振荡器，另外在建模和电路分析过程中也存在很多挑战。
目录
1.绪论 1
1.1课题研究背景及意义 1
1.2 课题的研究现状 2
1.2.1 振荡器的发展概述 2
1.3 论文的章节安排 4
2.CMOS环形压控振荡器的基本工作原理 5
2.1 Tanner软件相关介绍 5
2.1.1软件介绍 5
2.1.2 Tanner软件的设计流程 6
2.2振荡器的分类介绍 7
3.CMOS环形压控振荡器的设计实例 13
3.1 振荡原理 13
3.2 环形振荡器设计 13
3.2.1 差分延时单元设计 13
3.2.2 控制电源模块 16
3.2.3 环形振荡器 17
3.3 驱动电路模块 18
3.4 电路仿真与分析 19
3.4.1 输出分析 19
3.4.2 电容对输出影响 20
3.4.3 电压对输出影响 21
3.4.4 温度对输出影响 22
4.版图设计 24
4.1 版图设计规则和注意事项 24
4.2 环形振荡版图 24
5.总结与展望 26
5.1 论文总结 26
5.2 展望 26
参考文献 27
致 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
谢 28
1、绪论
1.1课题研究背景及意义
当今社会处于一个无线通信迅猛发展的时代，无线通信设备基本普及，随着科技的发展，我们即将迎来5G时代。用户对通信速度的要求越来越高，目前普及的4G技术已经无法满足用户的需求，即将迎来的5G时代无论在传输速度上或者是频谱的利用率上都将比4G高很多。完整的无线收发系统由天线、接收机、发射机组成，发射信号时，混频器将本地振荡器产生的载波信号和送入的低频模拟信号调制后经过天线发射，接收信号时，天线收到的信号经过处理成所需的中频信号，再通过混频器解调送后方处理[1]，系统装置如图1.1所示。
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图1.1 无线收发装置
振荡器在整个过程中起着关键性作用，性能好的振荡器可以使整个收发装置良好的工作。随着集成电路行业越来越热，CMOS工艺具有容易集成、功耗低和制造成本低等优点，广泛应用于各种无线产品中，主要用于时钟产生及恢复、通信系统设备中，已成为集成电路的发展趋势。在通信设备中用来对信号调制或者解调的电路一般由锁相环构成，锁相环是由鉴相器（Phase detector）、环路滤波器(Loop filter)、压控振荡器(Voltage controlled oscillator)三部分组成，主要是利用外部输入信号来对内部振荡信号的频率和相位进行控制，实现输出信号的频率随着输入信号频率的变化而变化，保持输出电压和输入电压有固定的相位差或者相位相等[2]。而压控振荡器是锁相环的心脏，发挥着至关重要的作用，其用来调节控制电压来控制收发机中所需的本振信号的频率。压控振荡器（voltagecontrolled oscillator）作为时钟电路、锁相环和频率综合器的核心模块，广泛应用于移动通讯设备、无线通信系统、卫星导航等。在CMOS 集成电路（integrated circuit）中常用到的两种传统的压控振荡器，主要是环形压控振荡器和LC压控振荡器。LC压控振荡器虽然Q值较高并且有良好的噪声抑制能力，但是由于电感的存在使其芯片面积较大，不利于集成，而环形压控振荡器具有很宽的调谐范围且不占用很大面积便于集成，因此在现在的集成电路行业中被广泛应用[1]，设计一个高性能的线性度高的压控CMOS振荡器具有重要的实际应用价值。
1.2 课题的研究现状
1.2.1 振荡器的发展概述
振荡器是一个可以将输入的直流信号转换为周而复始的交流信号并以电压形式输出的器件，然而在持续不断的输出时并不存在输入。当今正处于科技飞快发展的时代，振荡器广泛应用众多领域中，尤其在电子系统中充当着重要组成部分。振荡器技术从20世纪初以来，其技术进步大致经历了真空电子管时代、晶体管时代、单片集成振荡器时代等几个阶段[3]。
在20世纪初，Edwin Armstrong提出了外差原理并基于这一原理发明了第一款电子管压控振荡器，这种压控振荡器通过配置真空管来实现对频率变换的控制[4]。此后，Ralph V.L.Hartley通过更先进的真空管技术改良振荡电路，成功研制出了具有更宽频率范围的真空电子管振荡器，振荡器进入了电子管时代，由于电子管具有线性度好、强的带负载能力、适用于高频大功率系统，因此被广泛应用于通信设备中。随着时代的发展，因为电子管具有体积大、功耗大、易破损、需要很高的电压等特点，所以真空晶体管振荡器已经无法满足人们的需求[5]。
在20世纪40年代末，一种比电子管的体积小、功耗低、不易损坏且不需要很高的电源电压的晶体管问世，基于它具有的众多优点使其将电子管的地位取而代之。在20世纪60年代至80年代期间，由于变容二极管的发明，促进了振荡器技术的发展，由于变容二极管的电容受外加的电压控制，将变容二极管作为压控振荡器的无源元件，使得压控振荡器很容易的通过改变其控制电压来调节输出频率。20世纪80年代以后，随着半导体工艺技术的发展，之前的基于晶体管和变容二极管的分立式晶体管压控振荡器已经不能满足当时的电子系统在无线通信等领域中的需求了，移动设备开始流行，开始出现了单片集成压控振荡器。把电阻、高频电容、Q值较高的电感等无源元件集成在同一块芯片上，大大减少了元件所占用的面积，因此也降低了成本，这种单片集成振荡器技术成为振荡器研究的重点方向。
1.2.2 振荡器的国内外发展现状
振荡器从发明以来，广泛应用于众多领域，随着时代的变迁，人们的生活水平日益增长，工艺上对振荡器的性能要求越来越高。从21世纪初开始，振荡器面临着多方面的挑战和困难，如设计方面，设计者需要从振荡器制作工艺的占用面积、线性度、功耗、调谐范围等多方面考虑，设计符合用户需求的振荡器，另外在建模和电路分析过程中也存在很多挑战。
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