论文总字数：25905字

摘 要

射频接收机是通信系统非常重要的一环。要想使射频接收机获得较好的性能指标，那么一个良好的锁相环系统不可或缺。振荡器是其中一个非常重要的电路模块。目前压控振荡器在结构种类众多的振荡电路中最为常见。现代通信系统中一般用频率综合器作为本地载波产生电路，这也就意味着频率合成器的性能将会直接影响到无线收发系统的通信质量。

在另一方面，集成电路工艺高速发展，CMOS工艺凭借集成度高生产成本相对较低的优势特点成为了最主要的生产工艺。CMOS工艺日渐成熟水平不断提高，也使在单个芯片上集成整个无线收发系统成为可能。设计相噪以及调谐性能都较好的宽带压控振荡器，是目前人们在无线通信以及射频集成领域所关注的热点课题。

本文研究了PLL的核心部件电压控制振荡器（Voltage Controlled Oscillator，简称VCO）。本文首先研究了振荡器的基本原理，在两种数学系统模型中进行了分析，对VCO进行了相噪分析，并对具体设计中的元器件选取以及优化进行了讨论。最终设计了一款包含32个子频段的宽带VCO。所设计的VCO需要在DRM/DAB两种标准下兼容，为了覆盖所有波段，设计VCO频率范围为1.9~3.1GHz，VCO的相对带宽达48%，所以将VCO划分成32子频带，共五位控制字。

关键词： 压控振荡器，宽带，相噪

Abstract

RF receiver is a very important link in the communication system. A good phase-locked loop system is indispensable to obtain better performance. Wherein the oscillator is a very important circuit module. The voltage controlled oscillator is the most common oscillation circuit in a wide variety of current structures. Modern communication systems generally use a frequency synthesizer as a local carrier generating circuit, which means that the frequency synthesizer performance will directly affect the quality of wireless communication transceiver system.

On the other hand, with the rapid development of integrated circuit technology, CMOS technology becomes the most important production process. CMOS technology has improved continuously and making the entire integrated wireless transceiver circuit on a single chip is possible. Design broadband VCO with better tuning and phase noise performance is currently a hot topic in the field of wireless communication and RF integration.

This paper studies the core components of the PLL voltage controlled oscillator (VCO), basic principles of the oscillator, the VCO phase noise analysis, and selection of the specific components and optimization are discussed. To cover all the bands under the DAB and DRM standard, the VCO should have an oscillation ranger of 1.9~3.1 GHz, the relative bandwidth is 48%. In the control word of five bits, the VCO is divided into 32 sub-bands.

Key Words: VCO, Wideband, Phase Noise

目 录

摘要 I

Abstract III

目 录 V

第1章 绪论 1

1.1 课题背景及意义 1

1.1.1 无线通信和数字广播的发展 1

1.1.2 DRM/DAB接收机研究现状^[5] 1

1.2 压控振荡器及其研究现状 2

1.3 研究内容和难点 3

1.3.1 研究内容 3

1.3.2 技术难点 4

1.4 论文组织结构 5

第2章 LC-VCO设计基础 6

2.1 振荡器基本原理 6

2.1.1 振荡器基本原理概述 6

2.1.2 振荡器的基本分类及其分析 6

2.1.3 两端负反馈系统分析 8

2.1.4 单端能量补偿系统分析 10

2.2 压控振荡器 12

2.3 相位噪声 13

2.3.1 相位噪声概述 13

2.3.2 相位噪声模型 13

2.4 本章小结 16

第3章 宽带LC-VCO设计及仿真 17

3.1 LC-VCO结构选取 17

3.2 片上电感的选取及其优化 18

3.2.1 片上电感的选取 18

3.2.2 片上电感的优化 20

3.3 可变电容 20

3.4 频率调节范围的扩展 22

3.5 相位噪声的优化 25

3.5.1 尾电流的选取 25

3.5.2 二次谐振滤波技术 25

3.5.3 大电容滤波技术 26

3.6 设计约束 28

3.6.1 面积约束 28

3.6.2 功耗约束 28

3.6.3 带宽约束 28

3.7 电路仿真 30

3.7.1 瞬态仿真结果 30

3.7.2 频率调谐曲线 30

3.7.3 相位噪声 33

3.7.4 前仿真与设计指标对比 34

3.8 本章小结 35

第4章 总结与展望 36

参考文献 37

绪论

本章的内容主要包含了研究背景和研究意义，在总结了课题研究现状的基础上，介绍了本文的主要的研究内容、研究难点以及论文的组织结构。

课题背景及意义

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