一种高线性低相噪的cmos环形压控振荡器设计(附件)【字数：18822】
摘 要随着科研这一领域的开拓，无线通讯技术也处在快速发展的时段,而其中最处于目前主流技术的是CMOS射频集成电路和片上系统(SOC, System On Chip)的研发和应用。在无线通讯结构系统中，CMOS压控振荡器凭借其频率可控这一优势，成旨在目的是锁相环(PLL、phase、lockedloop)电路中不可或缺的组成环节。环形压控震荡器的优势之处囊括宽协调性、易集成性、结构性容易、高线性等，使得其在使用范围内得到广泛的运用，不可忽略的一个重要因素是压控振荡器能确保本振信号以及电路必需的高频率时钟信号的输出得到稳定的提供，然而这些年来压控振荡器较为火热的研究方面内容是电路的能耗高低、范围大小的调节以及相位噪声的程度等指标。本文以奠定基础的基本原理和实施的客观方法为切入点，合理运用振荡器的结构系统模型和阐述压控特性，并进行分析环形压控振荡器以及LC振荡器的结构框架。同样而言，本文特别是对振荡器的相位噪声程度特点实行了模型建立解析和简易的说明。建立在此基本原理上，设计一种囊括高线性、低相噪的压控振荡器的电路方案压控振荡器电路运用TSMC 0.35μm CMOS来实现,而Cadence平台实现电路的仿真证明,在Virtuoso下，制作电路版图,最后并进行后仿真检验。其后仿真验证的结果表示,振荡器输出频率的可调谐范围约为50MHz～200MHz(@1.0V～1.8V)，振荡器增益187.5MHz/V，当频率约为100KHz时,在100kHz频偏处的相位噪声为-90dBc/Hz,在1MHz频偏处的相位噪声为-110dBc/Hz。
目 录
第一章 绪论 1
1.1研究背景及意义 1
1.2本文内容 2
第二章 振荡器基本原理和方案选择 3
2.1双端负反馈分析法 3
2.2压控振荡器特性 4
2.3环形振荡器原理 8
第三章 设计和改进电路模板 15
3.1设计和改进VCO延时单元模块 15
3.2 抑制模块 18
3.3整形电路模块 21
第四章 电路的仿真分析 25
4.1 振荡波形仿真分析 25
4.2 相位噪声仿真分析 27
4 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
.3 频率调节特性仿真分析 28
4.4 工艺角仿真 29
第五章 版图设计和后仿真验证 31
5.1版图的设计原则 31
5.2 环形振荡器版型的预设 31
5.3版图后仿真 33
第六章 芯片测试 38
6.1 芯片测试电路 38
6.2步骤测验和结论分析 39
6.3 实践总结 41
致 谢 42
参考文献 43
第一章 绪论
1.1研究背景及意义
振荡器在机械、通讯、电子等方面得到了范围较为广泛的运用。振荡器是运用直流能量转变成特殊频率下震荡信号输出的电路。压控振荡器的振荡频率幅度是随着控制其电压大小的变化而变化，在社会通讯的系统中，压控振荡器得到大幅度的应用，在时钟的数据恢复、频率的电路合成、时钟发生器和锁相环内来选取频率、滤波、能耗或者是供应较有稳定性、周期性的时钟，因此在整个运作的结构系统内，压控振荡器就好比是一把钥匙，起着支柱性的关键作用。
在锁相环运行系统中，因为于反馈系统是因为压控振荡器、鉴频器和低通滤波器这三个构成框架系统，造成了震荡信号的频率输出和输入的信号频率是一致的结果，因此，这存在的相位差是恒等的。因为在大规模范围内，VCO的应用是很受青睐的，应用的功能性质不同，使得要求也不同。在锁相环结构系统框架中，压控振荡器的必要两个条件是拥有适应的高线性功能以及较低的相位噪声。以这两个条件为基础，本文的目的是在寻求一类高线性、低相噪的振荡器结构。在对不同电路的结构内，有优点也有缺陷，在分析适合范围之后，寻求一个较好的电路。
振荡器主要有两种：其一是环形振荡器，其二是LC振荡器。这两个振荡器的系统框架结构含有各自的特点。依据这两个电路的优点和缺陷，它们能够运用到不同的应用场处和功能性质的要求。
LC振荡器，其优势之处是囊括较好的相位噪声控制和抑制功能，能够到达稍高的的振荡频率，但是LC振荡器仍然出现较多的缺陷，最主要的包括在以下几个方面：（1）在大面积的布局中，电感和电容这两个点致使芯片的制作成本消耗太大；（2）在总电容内，因为于可变电容和可变电感的因为一般电感的比重占据较小，使得频率协调的范围受到限制；（3）在电感模型中，因电流CMOS技术的不准确性和不稳定性，造成计算中Q值过高，使得G的难度增加，复杂性变高。
与LC系统结构的约束相比，环形振荡器可以不使用电感器这一条件，它还可以和标准的CMOS工艺合成。不但节约了大量的所占面积，而且环形结构具有比较大的频率调控范围，与LC振荡器而言，环形振荡器可以更好的使频率以及线性度得到调控和分配。与其它环形振荡器比较，差分环形振荡器更能调节改变线性程度、共模的噪声控制以及环境噪声控制。但是尽管这样，LC振荡器的噪声功能性质还是比环形振荡器占据优势。若在标准的CMOS工艺当中，伴随着高频应用于防范闩锁效应不断增加，使得电感器的Q值变得越来越小。CMOS环形振荡器含有集成数字电路这一优势之处，使得CMOS环形振荡器在系统芯片之中的到很不错的运用，独树一帜。
1.2本文内容
1.2.1任务要求
运用cadence软件的电路原理图设计器具和电路仿真的工具，从而设计出一种高线性、低相噪的CMOS环形压控振荡器。在设计时，采用的是TSMC 0.35um CMOS工艺，完成下列的要求和技术指标指数。
表11 设计指标
电源电压
3.3V
中心频率
125MHz
控制电压调节范围
11.8V
频率调谐范围
50200MHz
振荡器增益
187.5MHz/V
相位噪声
100KHz时为90dBc/Hz
1MHz时为110dBc/Hz
1.2.2技术要求
（1）掌握CMOS模拟集成电路的相关知识和要点；
（2）分析和阐述压控振荡器的基本原理以及建立相位噪声模型的方法；
（3）了解并熟练、扼要控制模块、整形模块、VCO模块具体的工作原则；
（4）熟悉电路设计基本流程，并且完成从指标标数到最终的电路实现。
第二章 振动器基本原理和方案选择
在直流电源的条件下，振荡器通过的方法是自激，从而使直流能量向交流能量转化的电子电路。在现前，最用于广大范围运用的振荡器方式使环形振荡器和LC振荡器这两种方式。
环形振荡器它是很多个串联相接的延迟单元构成，因此它的震荡频率大部分是受到延迟单元的延迟时间而控制。相对于环形振荡器而言，LC振荡器是电感与电容的并联或者串联谐振动影响因素产生的。几乎任何的振荡器在通常的情况下都算可以认定为是双端负反馈系统，或者可以说是能量补偿系统。在实际运用中，环形压控震荡器使用的主流方法双端负反馈系统分析方法，但是单端能量补偿系统的分析方法是LC振荡器分析的主流方法。下面介绍的是双端负反馈分析法。
目 录
第一章 绪论 1
1.1研究背景及意义 1
1.2本文内容 2
第二章 振荡器基本原理和方案选择 3
2.1双端负反馈分析法 3
2.2压控振荡器特性 4
2.3环形振荡器原理 8
第三章 设计和改进电路模板 15
3.1设计和改进VCO延时单元模块 15
3.2 抑制模块 18
3.3整形电路模块 21
第四章 电路的仿真分析 25
4.1 振荡波形仿真分析 25
4.2 相位噪声仿真分析 27
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.3 频率调节特性仿真分析 28
4.4 工艺角仿真 29
第五章 版图设计和后仿真验证 31
5.1版图的设计原则 31
5.2 环形振荡器版型的预设 31
5.3版图后仿真 33
第六章 芯片测试 38
6.1 芯片测试电路 38
6.2步骤测验和结论分析 39
6.3 实践总结 41
致 谢 42
参考文献 43
第一章 绪论
1.1研究背景及意义
振荡器在机械、通讯、电子等方面得到了范围较为广泛的运用。振荡器是运用直流能量转变成特殊频率下震荡信号输出的电路。压控振荡器的振荡频率幅度是随着控制其电压大小的变化而变化，在社会通讯的系统中，压控振荡器得到大幅度的应用，在时钟的数据恢复、频率的电路合成、时钟发生器和锁相环内来选取频率、滤波、能耗或者是供应较有稳定性、周期性的时钟，因此在整个运作的结构系统内，压控振荡器就好比是一把钥匙，起着支柱性的关键作用。
在锁相环运行系统中，因为于反馈系统是因为压控振荡器、鉴频器和低通滤波器这三个构成框架系统，造成了震荡信号的频率输出和输入的信号频率是一致的结果，因此，这存在的相位差是恒等的。因为在大规模范围内，VCO的应用是很受青睐的，应用的功能性质不同，使得要求也不同。在锁相环结构系统框架中，压控振荡器的必要两个条件是拥有适应的高线性功能以及较低的相位噪声。以这两个条件为基础，本文的目的是在寻求一类高线性、低相噪的振荡器结构。在对不同电路的结构内，有优点也有缺陷，在分析适合范围之后，寻求一个较好的电路。
振荡器主要有两种：其一是环形振荡器，其二是LC振荡器。这两个振荡器的系统框架结构含有各自的特点。依据这两个电路的优点和缺陷，它们能够运用到不同的应用场处和功能性质的要求。
LC振荡器，其优势之处是囊括较好的相位噪声控制和抑制功能，能够到达稍高的的振荡频率，但是LC振荡器仍然出现较多的缺陷，最主要的包括在以下几个方面：（1）在大面积的布局中，电感和电容这两个点致使芯片的制作成本消耗太大；（2）在总电容内，因为于可变电容和可变电感的因为一般电感的比重占据较小，使得频率协调的范围受到限制；（3）在电感模型中，因电流CMOS技术的不准确性和不稳定性，造成计算中Q值过高，使得G的难度增加，复杂性变高。
与LC系统结构的约束相比，环形振荡器可以不使用电感器这一条件，它还可以和标准的CMOS工艺合成。不但节约了大量的所占面积，而且环形结构具有比较大的频率调控范围，与LC振荡器而言，环形振荡器可以更好的使频率以及线性度得到调控和分配。与其它环形振荡器比较，差分环形振荡器更能调节改变线性程度、共模的噪声控制以及环境噪声控制。但是尽管这样，LC振荡器的噪声功能性质还是比环形振荡器占据优势。若在标准的CMOS工艺当中，伴随着高频应用于防范闩锁效应不断增加，使得电感器的Q值变得越来越小。CMOS环形振荡器含有集成数字电路这一优势之处，使得CMOS环形振荡器在系统芯片之中的到很不错的运用，独树一帜。
1.2本文内容
1.2.1任务要求
运用cadence软件的电路原理图设计器具和电路仿真的工具，从而设计出一种高线性、低相噪的CMOS环形压控振荡器。在设计时，采用的是TSMC 0.35um CMOS工艺，完成下列的要求和技术指标指数。
表11 设计指标
电源电压
3.3V
中心频率
125MHz
控制电压调节范围
11.8V
频率调谐范围
50200MHz
振荡器增益
187.5MHz/V
相位噪声
100KHz时为90dBc/Hz
1MHz时为110dBc/Hz
1.2.2技术要求
（1）掌握CMOS模拟集成电路的相关知识和要点；
（2）分析和阐述压控振荡器的基本原理以及建立相位噪声模型的方法；
（3）了解并熟练、扼要控制模块、整形模块、VCO模块具体的工作原则；
（4）熟悉电路设计基本流程，并且完成从指标标数到最终的电路实现。
第二章 振动器基本原理和方案选择
在直流电源的条件下，振荡器通过的方法是自激，从而使直流能量向交流能量转化的电子电路。在现前，最用于广大范围运用的振荡器方式使环形振荡器和LC振荡器这两种方式。
环形振荡器它是很多个串联相接的延迟单元构成，因此它的震荡频率大部分是受到延迟单元的延迟时间而控制。相对于环形振荡器而言，LC振荡器是电感与电容的并联或者串联谐振动影响因素产生的。几乎任何的振荡器在通常的情况下都算可以认定为是双端负反馈系统，或者可以说是能量补偿系统。在实际运用中，环形压控震荡器使用的主流方法双端负反馈系统分析方法，但是单端能量补偿系统的分析方法是LC振荡器分析的主流方法。下面介绍的是双端负反馈分析法。
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