论文总字数：24321字

摘 要

随着无线通信的发展，锁相环的应用越来越广泛，压控振荡器则是构成锁相环的重要功能部件，在受控电压的调节下，用于产生系统所需要的振荡频率，实现电压到相位的转换。压控振荡器可分为LC压控振荡器和环形压控振荡器两种，其中采用CMOS工艺的环形压控振荡器更是因为具有频率调谐范围宽、功率消耗低、集成面积小等优点被广泛使用。

本文基于TSMC 0.35m CMOS工艺设计了三种四级环形压控振荡器，分别为尾电流控制型差分延时单元、伪差分延时单元和电流饥饿型差分延时单元构成的环形压控振荡器，针对电路结构，设计了整形电路、偏置电路和电压转电流电路。其中整形电路是将输出正弦波转换成方波、将差分延时单元的双端输出变换单端输出的电路，并为整个VCO电路增加驱动能力，偏置电路为环形压控振荡器电路提供偏置电压，电压转电流电路用来为尾电流控制型电路提供尾电流，并提高整个VCO电路的线性度。

最终经过Cadence软件仿真调试，电路的工作电压为3.3V、占空比为(50±2)%、频率调谐范围在200~400MHz之间，三个方案的相位噪声分别为-91.97dBc(@1MHz)、-118.2dBc(@1MHz)、-97.05dBc(@1MHz)，并选择其中性能较好的尾电流控制型差分环形VCO绘制版图。

关键词：环形压控振荡器，差分延时单元，调谐范围，相位噪声

Abstract

With the development of wireless communications, the use of Phase-Locked Loops has become more and more widely used, and Voltage-Controlled Oscillators have received much attention as an important device for providing frequency. The Voltage Controlled Oscillator can be divided into two kinds. They are LC Voltage Controlled Oscillator and Ring Voltage Controlled Oscillator. Among them, the Ring Voltage Controlled Oscillator adopting CMOS technology is widely used because of the wide frequency tuning range, low power consumption, and small integrated area.

Three kinds of four-stage VCOs are designed based on TSMC 0.35m CMOS process. They are the Ring Voltage-Controlled Oscillator composed of tail current control type differential delay units, pseudo differential delay units and current starvation type differential delay unit. For the circuit structure, a shaping circuit, a bias circuit and a voltage-to-current circuit are designed for each circuit. The shaping circuit converts the output sine wave into a square wave ,changes the double-ended output of differential delay unit to single-ended output and increases the drive capability of the circuit. The bias circuit provides a bias voltage for the Ring Voltage-Controlled Oscillator circuit. The voltage-to-current circuit is used to provide a tail current for the tail current control circuit and increase the linearity of the entire circuit.

Finally after Cadence software simulation, the circuits' working voltage is 3.3V, the duty cycle is (50±2)%, and the frequency tuning range is between 200~400MHz. The phase noise of the three programs are respectively -91.97dBc (@1MHz ), -118.2dBc (@ 1MHz), -97.05dBc (@ 1MHz).Then drawing the layout of the tail current control type differential Ring VCO with better performance.

KEY WORDS: Ring Voltage-Controlled Oscillator, differential delay unit, frequency tuning range,phase noise

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状与发展趋势 1

1.3 研究内容与技术指标 2

1.3.1 研究内容 2

1.3.2 技术指标 3

1.4 论文组织结构 3

第二章 振荡器的工作原理 4

2.1 压控振荡器性能指标 4

2.2 LC压控振荡器 5

2.2.1 LC压控振荡器工作原理与主要结构 5

2.2.2 LC压控振荡器优缺点 6

2.3 环形压控振荡器 6

2.3.1 环形压控振荡器工作原理与主要结构 6

2.3.2 环形压控振荡器优缺点 7

2.4 本章小结 8

第三章 环形VCO的设计 9

3.1 延时单元的结构 9

3.2 尾电流控制型差分环形VCO 10

3.2.1 延时单元 10

3.2.2 电压转电流电路 10

3.2.3 整形电路 11

3.3 伪差分环形VCO 12

3.3.1 延时单元 12

3.4 电流饥饿型差分环形VCO 13

3.4.1 延时单元 13

3.4.2 偏置电路 14

3.4.3 电压转电流电路 15

3.5 本章小结 16

第四章 振荡器仿真结果与分析 17

4.1 环形VCO电路前仿真结果 17

4.1.1 尾电流控制型差分环形VCO 17

4.1.2 伪差分延时单元 19

4.1.3 电流饥饿型差分延时单元 21

4.2 仿真分析 24

4.3 振荡器的版图设计 24

4.3.1 版图设计难点 24

4.3.2 振荡器版图设计 25

4.4 本章小结 27

第五章 总结与展望 28

5.1 总结 28

5.2 展望 28

致谢 29

参考文献 30

绪论

本章节首先介绍锁相环（Phase-Locked Loop,PLL）和压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator,VCO）的基本概念以及相关意义，阐述压控振荡器的选择对锁相环的重要性，通过阅读文献内容，总结了国内外的目前研究状况与发展趋势，并提出了本文所研究的环形VCO的技术指标。

研究背景与意义

近几年来，随着半导体技术的迅猛发展，应用到集成电路的领域也越来越大，无论是航空器、火车、飞机，还是高科技医疗设备、电脑、手机，全都可以看到集成电路芯片的身影。对于无线收发机而言，频率合成器是最重要的部件，通常由锁相环来实现。锁相环是一种能够实现输出信号和输入信号相位同步的相位负反馈系统，它的电路结构主要为：鉴相器、压控振荡器、环路滤波器、电荷泵和分频器，其中的VCO作为频率产生的关键部件，经常被用做通信系统、时钟数据恢复系统等的核心模块，更是得到了许多重视。

VCO是输出端输出频率与输入端控制电压具有一定函数关系的振荡电路，在锁相环中主要考虑的两个因素，分别是：相位噪声与锁定范围，VCO对这两个因素都有重要的影响。若VCO的调谐范围不够宽，则会严重限制锁相环的锁定范围，若能提供较宽的调谐范围却无法达到一定的噪声性能，则也不能保证锁相环有效工作。因此调谐范围和相位噪声是VCO设计主要考虑的因素，即要在保证VCO足够调谐范围的情况下，尽可能降低相位噪声。

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