论文总字数：24975字

摘 要

电压振荡器（Voltage Controlled Oscillator, VCO）被广泛用作无线通信系统中的关键部件。它在射频(Radio Frequency, RF)通信电路（如环路系统）中用作本地信号振荡器发生器，提供稳定的发送器。载波信号。本文设计的VCO带宽为10 GHz，这种频率带宽大量运用到无线通信体系，当前所存在的低功耗设计，作为分析当前无线系统的基础目标。所以基于0.18µm CMOS技术的10GHz低压控制CMOS振荡器有着巨大的价值。为确保设计环节中，可以有着符合要求的利润与对应的调谐宽度区间，在此次设计之中运用了一组四个交联式电容器代码套件，以实现通过扩展范围来降低调谐增益的设计意图工作频率。为了控制电路的综合能耗，在主电路方面运用较为特殊的交叉结构。为控制整体的相位噪声，将二次谐波滤波器源应用于电流尾源。

仿真结果表明，振荡器控制电压的频率为9.5-11.5 GHz，相位噪声低于-110dBc / Hz @ 1MHz，性能符合设计规范。

关键词：压控振荡器；低功耗；相位噪声；互补型交叉耦合结构；二次谐波滤波技术

Abstract

Voltage Controlled Oscillator (VCO) is widely used as a key component in wireless communication systems. It is used as a local signal oscillator generator in radio frequency (RF) communication circuits such as loop systems to provide a stable transmitter. Carrier signal. The VCO bandwidth designed in this paper is 10 GHz. This frequency bandwidth is widely used in wireless communication systems. The current low-power design is the basic goal of analyzing current wireless systems. Therefore, the 10 GHz low-voltage control CMOS oscillator based on 0.18 μm CMOS technology has great value. In order to ensure that the design process can have the required profit and the corresponding tuning width interval, a set of four cross-linked capacitor code sets are used in this design to realize the design intent to reduce the tuning gain by extending the range. working frequency. To control the overall phase noise, the second harmonic filter source is applied to the current tail source.

The simulation results show that the oscillator control voltage has a frequency of 9.5-11.5 GHz and the phase noise is lower than -110dBc / Hz @ 1MHz, and the performance meets the design specifications.

Key words: voltage controlled oscillator; low power consumption; phase noise; complementary cross-coupling structure; second harmonic filtering

目 录

第一章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1..1.1射频集成电路发展历程 1

1.1.2压控振荡器简介 2

1.1.3VCO 的历史 2

1.2 VCO 国内外研究现状 2

1.3本论文主要工作 3

1.4论文的组织结构 3

第二章 振荡器基本原‌理分析 4

2.1振荡器概述 4

2.2振荡器基本原‌理分析 4

2.2.1正反馈分析法 4

2.2.2单端能量补偿系统分析法 5

2.3压控振荡‌器典型结构 6

2.3.1环形振荡器 6

2.3.2 LC振荡器 7

2.3.3 LC振荡器与环形振荡器比较 8

2.4压控‌振荡器数学‌模型及性能参数 9

第三章 相位噪声 11

3.1相位噪声的来源 11

3.2相位噪声理论分析 11

3.3相位噪声模型 12

3.3.1理想模型 12

3.3.2 Leeson线性时不变（LTI)模型 13

3.3.3 Hajimiri线性时变（LTV）相位噪声模型 13

3.4 LC振荡器相位噪声分析 14

3.5相位噪声优化技术 14

3.5.1最佳偏置电流设计 15

3.5.2有源器件的尺寸优化 15

第四章 LC压控振荡器电路设计与优化 17

4.1压控振荡‌器核心电路设计 17

4.1.1NMOS晶体管交‌叉耦合振荡电路 17

4.1.2电阻和NMOS晶体管构成放大器 18

4.1.3互补型交叉耦合结构 19

4.2 低功耗设计 20

4.3低相位噪声设计 21

4.3.1电路对称性 21

4.3.2二次谐波滤波技术 21

4.2.2片上电感的选取 22

4.2.3VCO的频率调谐方案 23

4.2.4粗调开关电容网络设计 24

4.2.5精调开关电容网络设计 26

4.4仿真结果与性能分析 27

4.4.1瞬态仿真 27

4.4.2频率特性分析 27

4.4.3相位噪声仿真 28

第五章 总结与展望 30

参考文献 31

致 谢 33

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1..1.1射频集成电路发展历程

随着无线，互联网和多媒体系统的快速发展，针对用更低成本来得到优质服务的要求不断增加。为更好的解决新环境下不断提升的需求，设计符合高速标准的便携电子设备，逐渐演变为当前现代电子体系演变的核心趋势，同时加速了RF和无线市场的发展和扩展。

随着电子计算机在人类社会的普及，通信技术使得我们的日常生活发生了翻天覆地的变化^[1]。在过去的一段时间里，从早期的电报和无线广播，到现在的移动蜂窝和无线网络，当前各类工作的便捷性与生活模式都需要以科技体系的飞速发展作为基础，电子电路的设计和改进是不可或缺的，电路设计的源头可以追溯到18世纪末和19世纪初。Marconi是未来无线通信快速发展的先驱，他在1895年应用了实际无线通信设备;从无线电到电视的过渡一直是无线通信的一个重大发展。传统系统通过单独的部件组成，例如电感器，电容器和电子管道。然而，伴随科技体系的快速发展，集成电路可以有效应对高成本、高能耗以及低容量等多个方面的问题。

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