一种采用可调整滤波技术的15GHz带、低相噪VCO

论文总字数：19823字

摘 要

本论文中，提出了一种降低其功率消耗，同时改进LC-VCO相位噪声性能的新方法。本文介绍并尝试了四种改进电路的方法，其中两种用于降低功率消耗，另两种用于改善噪声性能。变压器反馈回路和振幅反馈环路中，选用了负参考电压和振幅反馈环路作为最终设计。该负参考电压为LC-VCO晶振的稳定起振提供了一个重要的偏置电压。可调整振幅反馈环路可以在VCO正常振荡之后，主动降低偏置电压，从而可以降低功率。新型LC-TANK结构和二次谐波滤波电路中，选用了二次谐波滤波电路最为最终设计。LC-VCO包含两个串联的LC二次谐波滤波电路。谐波滤波电路包含一个螺旋电感和两个变容二极管。串联滤波器的谐振频率可以由电压控制，而且共振器可以抑制LC-VCO中的相位调制效应，从而改进LC-VCO的宽频带相位噪声性能。最终的电路包含了传统的LC-VCO电路，振幅反馈环路电路及二次谐波滤波电路，在0.13um CMOS工艺下进行仿真，仿真结果显示，在15GHz载波驱动下，1MHz 补偿下的相位噪声低于-100.7dbc/Hz。

关键词：变压器反馈回路，振幅反馈环路，新型LC-TANK结构，二次谐波滤波电路.

A LOW PHASE-NOISE LC-VCO WITH 15GHZ-BAND AND TUNABLE FILTERING TECHNIQUE

Abstract

In this paper, a new way to reduce the power consumption and improve the performance of phase-noise of an VCO is proposed. Four ways have been introduced in this paper. Two of them are for reducing the power consumption and the other are for improving the performance of phase-noise. Choose the amplitude feedback loop and negative reference as the final design between it and Transformer Feedback. The negative reference can provide a sufficient bias voltage for the VCO. The adaptively amplitude feedback loop can decrease the bias voltage to the oscillation so that it can reduce the power consumption. Choose two series LC second harmonic filters as the final design between it and a new LC-TANK topology. The filter circuit consists of two varactors and a spiral inductor. Its resonator frequency can be controlled by the voltage and can prevents the noise modulation in VCO so that it can improve the performance of the phase-noise with wide frequency range. The final circuit includes the conventional LC-VCO, the amplitude feedback loop and negative reference and two series LC second harmonic filters. It has been simulated in the 0.13um CMOS technology. And the simulation result shows that the phase-noise is less than -100.7dbc/Hz at the 1MHz offset drived by 15GHz carrier.

KEY WORDS: amplitude feedback loop, Transformer Feedback,

LC second harmonic filters, a new LC-TANK topology

目 录

摘要 ………………………………………………………………………………… Ⅰ

Abstract …………………………………………………………………………… Ⅱ

1. 绪论 ……………………………………………………………………… 4

1.1引言 ……………………………………………………………………… 4

1.2研究现状 ………………………………………………………………… 4

1.3本文研究内容 …………………………………………………………… 5

1.3.1 研究内容概述 …………………………………………………… 5

1.3.2 变压器反馈回路方案简介 ……………………………………… 5

1.3.3 振幅反馈环路方案简介 ………………………………………… 5

1.3.4 新型LC-TANK结构方案简介…………………………………… 5

1.3.5 二次谐波滤波电路方案简介 …………………………………… 5

1.4 VCO相关指标…………………………………………………………… 5

1.4.1振荡频率F………………………………………………………… 6

1.4.2功率消耗P………………………………………………………… 6

1.4.3相位噪声PN: …………………………………………………… 6

1.4.4性能指数FoM: …………………………………………………… 6

1. VCO低功率电路设计 ………………………………………………………6

2.1 方案一：变压器反馈回路方案 ………………………………………… 6

2.1.1：传统VCO电路存在的问题………………………………………… 6

2.1.2：变压器反馈回路方案详述……………………………………………7

2.2 方案二：振幅反馈回路方案………………………………………………10

2.2.1Class-C VCO集成电路概略图……………………………………… 10

2.2.2Class-C LC-VCO设计………………………………………………… 10

2.2.3负参考电压电路设计………………………………………………… 11

2.2.4振幅反馈环路和偏执控制电路设计………………………………… 11

2.2.5 LC-VCO的PVT补偿设计……………………………………………12

1. VCO低相噪电路设计……………………………………………………… 14

3.1 方案一：新型LC-TANK结构方案………………………………………14

3.2 方案二：二次谐波滤波器结构方案………………………………………17

第四章 VCO低功率低相噪电路设计……………………………………………… 19

4.1 最终设计指标…………………………………………………………… 19

4.2 最终方案选择 …………………………………………………………… 19

4.3 最终仿真结果…………………………………………………………… 23

结论 ………………………………………………………………………………… 26

致谢 ………………………………………………………………………………… 27

参考文献（References） …………………………………………………………… 27

1. 绪 论
   1. 引言

随着无线通讯的快速发展，无线通讯应用的需求，对无线通讯硬件性能也产生了更多新的要求，同时也提出了许多工作在不同频带的新的标准，新的技术也在不断出现。目前，无线通讯的载波频率已经几个HZ增加到几十个HZ。随着频率的增加，LC-VCO作为无线通讯发送器系统的重要组件，其性能的高低将对整个通信系统产生重要的影响。

由于目前个人携带式移动设备的普及，人们对于设备的续航能力，一直是关注的重点，同时也是产品的一大卖点。续航能力的大小不仅仅取决去电池的能力，还跟设备的能耗息息相关，因此无论什么器件，低功耗都是一个必然的趋势，VCO的研究当然不会例外。另外无线大规模集成电路的供电电压可以低于0.5V，因此可以用太阳能电池供电，这成为个人通信应用中具有吸引力的一面。

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