论文总字数：29141字

摘 要

快速发展的通信系统对频率源的准确稳定提出了越来越高的要求，通常在电子器件中，频率源采用锁相环来进行频率合成，振荡器是锁相环中至关重要的组件，主要负责频率输出，受到了越来越多的重视。本课题的目的是设计一个符合指标要求的硅基微波压控振荡器。

本文首先介绍了压控振荡器的研究背景和发展状况，在此基础上对振荡器的基本工作原理进行了阐述。又具体分析了各种类型的压控振荡器，总结了基于负能量补偿和基于反馈系统的两种振荡器分析方法，着重阐述了交叉耦合LC-VCO的基本原理。继而阐述了压控振荡器的相位噪声理论，介绍了Lesson的线性时不变模型与Hajimiri的相位线性时变模型，最后分析了相位噪声的影响。具体设计中对课题要求的VCO设计进行了详细的分析，包括电感设计、可变电容设计等，采用Cadence软件对VCO进行了前仿真验证和版图设计。

本次设计采用TSMC 0.18μm CMOS工艺，进行了硅基微波压控振荡器的电路设计、前仿真和版图设计，输出频率可达29.63G，相位噪声低于-92dBc/Hz@1MHz，系统功耗低于25mW，VCO整体版图面积220μm×155μm，基本符合指标要求。

关键词：压控振荡器，LC VCO，交叉耦合，相位噪声

A Design Of A Silicon Microwave Voltage-Controlled Oscillator

Abstract

The rapid development of communications system has made requests for accurate and stable frequency source. Phase-locked loop (PLL) is often used for synthesizing frequency. Oscillator has received more and more attention for it is a significant part of PLL phase-locked loop and in charge of frequency output. The purpose of this task is to design a silicon microwave voltage controlled oscillator that meet the requirements.

Firstly, the research background and development of voltage-controlled oscillator (VCO) are presented, the basic principle of oscillator were introduced based on it. Then various types of VCOs are analysed, including two kinds of analysis methods based on negative energy compensation and feedback theory. The basic principles of cross-coupled LC-VCO were emphasized. The theory and influence of phase noise is also stated, the thesis summarizes two commonly used phase noise models: linear time-varying model and linear time-invariant model. VCO is considered in details in specific design, including active inductor and variable capacitor. Software Cadence is used for simulation and layout design.

The design of VCO circuit, simulation and layout design are based on TSMC 0.18μm CMOS process. A 29.63-GHz LC VCO with a phase noise of 92 dBc/Hz at 1MHz is demonstrated, dissipating less than25 mW of power using on-chip spiral inductor and variable capacitor. The area of layout is 220μm×155μm. The VCO meets basic performance requirements through repeated improvements.

KEY WORDS: voltage-controlled oscillator (VCO), LC VCO, cross-coupled, phase noise

目录

声明

摘要

第一章 绪论 1

1.1研究背景和意义 1

1.2发展历史和研究概况 1

1.3论文的研究内容 2

1.4论文的组织结构 3

第二章 VCO设计的理论基础 4

2.1振荡器的工作原理 4

2.1.1两端负反馈分析法 4

2.1.2单端能量补偿分析法 5

2.2 VCO的工作原理 6

2.2.1 VCO的数学模型 6

2.2.2 VCO的主要性能指标 7

2.3 VCO的分类 8

2.3.1 环形振荡器 8

2.3.2 电感电容压控振荡器（LC-VCO） 8

第三章 VCO的相位噪声分析 13

3.1 振荡器的干扰 13

3.2 振荡器的相位噪声 13

3.3 振荡器的Q值与相位稳定性 13

3.4 相位噪声 14

3.4.1 Leeson的线性时不变模型 16

3.4.2 Hajimiri的线性时变模型 16

3.5 相位噪声带来的影响 16

第四章 微波压控振荡器的设计 18

4.1本次课题VCO的两种设计方案 18

4.2 VCO中的无源器件 19

4.2.1 片上电感 20

4.2.2 可变电容 20

4.3 前仿真 21

4.3.1VCO的起振 21

4.3.2 VCO的振荡频率 23

4.3.3 VCO的相位噪声 25

4.3.4 VCO的功耗 27

4.4 设计方案总结 27

第五章 VCO的版图设计 28

5.1版图设计规则 28

5.2VCO版图设计 31

第六章 总结和展望 32

6.1总结 32

6.2展望 32

致谢 36

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

伴随着人类社会的进程，科学技术不断地发展，尤其在近代以后，出现的比如数字电路、无线通讯、微型计算机、航天航空领域、家用电器等在内的各种电子器件的频率源都广泛地采用频率控制技术。同时也出现了一个很重要的问题，一个电子系统与它的频率源有很大的关系，并且会在很大程度上影响整个系统的功能。随着近些年无线通讯技术的飞速进步，要求频率源频率不仅要稳定和精确，而且能进一步对频率源能够快捷便利地转换提出要求，这对频率源的设计是一个严峻的挑战。

在电子器件中，承担频率源频率的合成功能的器件模块是锁相环（phase-locked loops，即PLL），在通讯、自动控制、航空航天等领域都使用颇广。顾名思义，锁相的定义就是相位同步的自动控制，锁相环的结构由振荡器、鉴频鉴相器和环路滤波器三个部分组成。其中，振荡器是本课题的主要研究内容，在锁相环中的主要功能是负责频率输出。

振荡器自问世之日起，便占据着电子通讯、航天航空等应用范畴的不可取代的地位。在初期，振荡器作为发射机和接收机的基本部件，被用来在发射机中产生高频载波电压，在超外差接收机中充当本机振荡器。随着电子技术的进一步发展，振荡器的作用更加广泛，它产生频率稳定度很高的振荡电路组成电子钟表的定时部件，产生各种频段的正弦电压信号作用于无线电测量仪器，还可以产生大功率的高频电能对负载进行加热。

压控振荡器（voltage-controlled oscillator，即VCO），不仅具有成本低、体积小、重量轻等显著优点，而且功耗小、可靠性高，是振荡器中最为常用的一种，因此PLL中大多数的直接输出都是采用VCO。它的特别之处在于，借助控制电压的改变，对输出的振荡频率进行调控。正是由于这个特性，可以用来提供稳定且准确的周期时变信号，所以应用于数字电路的时钟、混频器的本振信号，尤其是在锁相环电路、时钟恢复电路和频率综合器电路中承担着至关重要的功能。可以说，VCO的参数指标，对频率源的性能乃至整个电路系统的功能都产生举足轻重影响。

1.2 发展历史和研究概况

1912年，阿姆斯特朗提出了外差原理，正是基于这一理论，他创造性地设计出了世界上第一个VCO。接下来，哈特利对振荡电路的电路结构进行了改进，创造性地设计出了三点式结构，成功研制出了电子管VCO。这种结构的设计思想是，借助改变电路中电容的数量或者电感的大小的手段，达到实现调节电子管VCO的中心频率的目的。

到了20世纪40年代，晶体管出现了，这是一个跨时代的发明。晶体管的优点是功耗低、体积小，不需要很高的电压就能达到开启状态，它的出现取代了电子管。可以说，晶体管的发明对振荡器的产生发展有着直接影响，极大地改善了电路性能。其中最显著的改变是可变容的二极管的出现，引起了振荡器的革命性变化。

上个世纪60年代，变容二极管、晶体管以及其他无源器件相继被发明出来并投入使用，催化了电路的体积数量级的减小，使得振荡器的调谐性能更加优良。1968年，英特尔公司成立，直接催化了1980年混合集成VCO和单片集成VCO的出现，这标志着VCO进入了现代科技发展新纪元，并且形成了众多成熟的理论。

21世纪以来，IBM，TI等众多科技公司都在振荡器领域进行了大量投入，推出了许多性能优良的芯片产品，这些VCO的调谐水平可以达到输入的电源电压变化1/10 V时，有调节频率变化达到2GHz的能力。可以说实现了极高的性能。在集成电路的大环境下，一块电子芯片（system on chip，即SoC）可以集成的晶体管达到10亿以上。

回顾我国对压控振荡器这一领域的研究历史，开始得相对国外较晚，从上个世纪末期开始，包括东南大学在内的各个高校和研究所先后开始VCO的研究。近三十年来获得了不俗的理论实践成果。国内一些相关的科技公司如华为、中兴等都先后设计生产出较佳性能的产品，将振荡器技术付诸实践。

1.3 论文的研究内容

本课题在了解VCO的研究背景和应用意义的基础上，学习VCO的工作原理，采用TSMC 0.18μm的工艺，主要使用以Cadence为主的EDA工具，根据指标要求，设计一个硅基微波压控振荡器，采用电感电容差分互补交叉耦合电路结构，针对设计出的电路进行调试和仿真，最后完成版图设计。

本课题设计的硅基微波振荡器的一些性能指标如下：

表1.1 VCO性能指标

本课题的主要完成的工作：

1. 查阅压控振荡器的相关文献资料，完成对文献资料的调研学习，筛选出与本课题有借鉴意义的文献，了解TSMC 0.18μm工艺下振荡频率达到30GHz的压控振荡器电路可能的结构形式及设计方法，并分析其优缺点；
2. 根据采用的实现方式，选择了硅基微波振荡器最终的电路结构，并根据此结构设计出两种具体的方案，对电路参数进行调试和对比，选取最优方案，设法实现具体性能指标；
3. 用Cadence工具对电路模块进行模拟仿真，针对压控振荡器要达到的性能指标参数进行不断地改进优化；
4. 完成VCO版图设计；
5. 在对课题结果进行数据整理、分析和总结的基础上，进一步对课题进行拓展。

1.4 论文的组织结构

本论文详细地描述了振荡频率在30GHz的硅基微波振荡器的具体实现方案，基于TSMC 0.18μm工艺，采用Cadence为主的EDA软件对硅基微波振荡器完成了电路调试、前仿真和版图设计等工作。本文结构及内容组织如下：

第一章：介绍了课题研究的背景、VCO的研究历史、发展概况、意义、以及压控振荡器的设计指标。

第二章：对振荡器的基本工作原理进行了阐述，又具体分析了各种类型的VCO，最后分析了交叉耦合LC-VCO的工作原理；

第三章：分析了压控振荡器的相位噪声理论，给出了相位噪声的定义，对线性时不变Lesson模型与Hajimiri的线性时变模型进行了分析，最后阐述了相位噪声的影响。

第四章：对课题要求的VCO设计进行了详细的分析。包括螺旋电感设计、可变电容设计等，设计了两种方案，并且基于TSMC 0.18μm采用Cadence软件对VCO进行了前仿真验证，选取出了最优方案；

第五章：版图设计规则规定，VCO的版图设计；

第六章：总结及展望。

第二章 VCO设计的理论基础

2.1振荡器的工作原理

振荡器是锁相环的核心模块，在输入电源为直流电时，以自激的形式，将输入的直流形式的电能输出为交流形式的电能，得到交流输出信号。环形振荡器和电感电容振荡器是振荡器最常见的形式。其中，一定数量的延迟单元构成了一个回形环路，这就是环形振荡器，电路的振荡频率被延迟单元累积加总的延迟时间控制，分析电路多采用两端负反馈系统分析的方法；而电感电容振荡器的结构由一定数量的电感和电容的组合组成，她们或串联或并联来产生谐振，这种结构的电路往往通过单端能量补偿系统的方法来分析。

2.1.1两端负反馈分析法

如图2.1所示，一个振荡器的结构被简化为一个单位增益负反馈系统，这个系统单输入、单输出，假设这个系统的开环表达式是H(s)，可以得到闭环函数为：

(2.1)

图2.1 单位增益负反馈系统

当频率增高，一直到放大器的输出相位增量过大使得反馈成为了正反馈，此时就产生了振荡。更准确地说，在s=jω₀时，系统传递表达式H(jω₀)=-1，闭环的增益趋于无穷大。在这样的前提下，来自输入端微小的噪声就会被放大，输出的信号通过回路反馈到输入端，进一步扩大了两者的差值，如此不断往复循环，产生频率为w₀的周期震荡信号。

从以上的分析中可以总结出振荡器起振必须要满足的必要条件：

1.电路的闭环增益大于等于1；

2.负反馈相移180°。

以上准则可以用公式表达为：

(2.2)

(2.3)

这就是巴克豪森准则。

关于式（2.3），可以理解为，不管是哪种反馈，目的都是通过反馈使得原来的信号得到增强，环路的增益大于等于1，只要满足这个条件的结构都是可以起振的，即可以把式（2.3）进一步拓展为：

(2.4)

式中，Φ(ω)表示输入信号相位减去反馈信号之间的差值。

需要指出的是，式（2.3）、（2.4）属于振荡器起振的必须条件，但并不是充要条件，在实际电路设计中，影响因素很多，为了保证电路的稳定起振，环路增益不能刚刚达到1，至少要保证两到三倍以上的裕值。

2.1.2单端能量补偿分析法

如图2.2（a），电感的感抗jω_resL与电容的容抗1/jω_resC在频率位于ω_res=1/时，符号相反绝对值相等，电感和电容轮流充放电，此时电路回路进入振荡工作状态，阻抗为无穷大，而品质因数Q为无穷大，结合实际情况，其实实际的电感电容元件都是存在串联电阻的。

图2.2 电路等效原理图

如图2.2（b），就是考虑了实际情况以后的电路，利用电感电容的串并联转换规律，可以进一步将其转换成一个RLC并联等效电路，如图2.2（c）。

其中，电阻、电容、电感分别为：

(2.5)

当对这样的RLC电路施加一个电流脉冲时，电路将产生振荡，但是由于电阻的存在会消耗能量，振荡将会随着时间衰弱，假设电路中存在并联的补偿电阻，该负阻与电阻的并联能够达到零的效果，这样将抵消原电路中的消耗效应，使得振荡能够一直持续下去。那么，从考虑设计这样一个负阻的思路出发，可以用有源器件来等效这样一个“负阻”。从能量的角度分析，振荡效应之所以能够一直持续下去的原因，是因为有源器件承担了电路能量供给，保证电路保持在正常工作状态。由此可以将振荡器电路一分为二地分析：一部分消耗能量和一部分负责补偿能量。

上图就是这样一个结构，左边的谐振腔是正阻部分，负责产生振荡，右边就是补偿电阻电路，这样一种分析电路的思想，就是单端能量补偿系统分析法。

2.2 VCO的工作原理

普通的振荡器振荡的频率一般是一个确定的值，在实际应用中谐振频率往往会受到各种各样实际因素的影响，而在不同的场景下会对信道的带宽提出不一样的要求，振荡器具有有一定的可调节范围的振荡频率成为大势所趋。在这种背景下，压控振荡器应运而生。

2.2.1 VCO的数学模型

通常认为压控振荡器的输出频率与外部施加的控制谐振腔的电压在数学上具有一定比例的关系，如图2.3，归纳为：

(2.6)

图2.3 VCO的输入-输出特性折线图

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