基于SiGe工艺的28GHz VCO设计

论文总字数：30537字

摘 要

在现代无线通信系统中，压控振荡器作为一个频率源是射频电路的重要组成部分。具有低相位噪声，低功率消耗等优势的压控振荡器是未来的发展趋势。本文基于IBM 0.13um SiGe BiCMOS工艺，研究并且设计了28GHz的压控振荡器设计。

首先介绍了压控振荡器的发展历史和研究现状，然后对压控振荡器的相关理论进行了较为深入的叙述和介绍，包括正反馈，以及压控振荡器的核心理论即负阻振荡器模型。通过该等效电路模型以及相关电路理论，从正反馈和负阻网络两个角度计算证明了负阻振荡器的起振条件，并由此引出了尾电流源压控振荡器这种较常用的压控振荡器结构。之后，本文还简要介绍了三点式振荡器结构及其起振条件，将三点式振荡器与负阻振荡器进行了比较，之后补充了包括互补交叉耦合压控振荡器在内的其他改善频率调谐范围的压控振荡器结构。

本文所设计的SiGe压控振荡器，采用截止频率高达200GHz的SiGe异质结双极型晶体管构造交叉耦合对管，振荡频率在28GHz，调谐范围约为3GHz，1MHz频偏处的相位噪声约为-80dBc/Hz。压控振荡器的直流偏置电压为2.2V，使用10mA尾电流源提供偏置电流。

关键词：锗硅工艺，双极-互补金属氧化物半导体，压控振荡器

ABSTRACT

The Voltage Controlled Oscillator plays an important part of the modern communication systems as a source of high quality oscillation signals. The design of VCOs with low phase noise and low power consumption has aroused much concern in the past decade and will still be a key point of research in the near future. This paper presents the design of an integrated Voltage Controlled Oscillator implemented in IBM 0.13um SiGe BiCMOS Process.

This paper introduces the development and the current research as well as the basic theories of VCOs, including positive feedback and negative resistance which is the core of the of VCOs. The condition for oscillation to occur is introduced based on the equivalent circuit model of the negative resistance network and hence the tail-biased VCOs and three-point oscillators with their conditions of oscillation respectively. Some other oscillators like the head-biased VCOs and AC coupling VCOs which have wider frequency tuning range than the tail-biased VCOs, are also introduced in this paper.

The design of SiGe VCOs presented in this paper is implemented in SiGe 0.13um 200GHz ft SiGe HBTs. The VCO frequency is around 28GHz with a relative narrow tuning range of 3GHz. The VCO phase noise is simulated around -80dBc/Hz at 1MHz frequency offset. The VCO consumes 10mA current from a 2.2V power supply.

KEY WORDS: SiGe, BiCMOS, Voltage Controlled Oscillation

目录

摘要 1

ABSTRACT 2

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 压控振荡器研究现状 2

1.2.1 无源器件 2

1.2.2 相位噪声 2

1.3 主要工作 2

1.4 论文的结构 2

第二章 压控振荡器的基本理论与工作原理 4

2.1 振荡器 4

2.1.1 正反馈 4

2.1.2 负阻振荡器 5

2.1.3 交叉耦合振荡器 9

2.1.3.1 正反馈 9

2.1.3.2 负阻网络 11

2.1.3.3 g_m的选择 14

2.1.4 三点式振荡器 15

2.2 压控振荡器 16

2.2.1 压控振荡器基本原理 16

2.2.1.1 K_VCO 16

2.2.3 频率调谐范围 19

2.2.4 谐振腔的Q值 19

2.2.5 宽带调谐压控振荡器 22

2.2.5.1 首电流源压控振荡器 22

2.2.5.2 AC耦合压控振荡器 24

2.2.5.3 互补差分耦合压控振荡器 25

2.2.6 离散调谐技术 27

2.2.6.1 离散调谐压控振荡器 27

第三章 SiGe电感电容压控振荡器设计 30

3.1 压控振荡器结构的确定 30

3.2 电感的选取 31

3.2.1 片上电感 31

3.2.2 SiGe对称片上螺旋电感仿真 31

3.3 交叉耦合对管设计 33

3.4 变容管压控特性曲线仿真 33

3.5 压控振荡器性能仿真 34

3.5.1 输出波形 34

3.5.2 压控特性曲线仿真 34

3.5.3 相位噪声仿真 35

第四章 总结与展望 36

4.1 论文回顾 36

4.2 工作展望 36

致 谢 37

参考文献 38

1. 绪论
   1. 引言

进入二十一世纪以来，无线通信设备发展十分迅速。设计人员在设计高集成度，高性能，廉价和低功率的射频集成电路(RFICs)方面投入了大量的精力。这其中，ISM波段在工业界的应用发展尤其引人注目。因为很多应用产品需要使用一个较宽的频率范围来实现高速率数据通信和信号检测，变得十分迫切的是在该新波段下设计射频集成电路。由于在新的ISM波段使用的商用通信系统大部分都是手持设备，这些手持设备均对造价敏感而且受到功率消耗的限制^[1]。提高设备的集成度并且同时降低功率的消耗对于ISM波段的商业利用是非常重要的。

在无线收发机结构中，混频器的作用主要是在接收机中进行下混频并且在发射机中进行上混频。而为混频器提供纯净本地振荡信号的频率综合器的地位便显得十分重要。一般来说，这种电路均使用Ⅲ-Ⅴ化合物半导体比如GaAs或者InP进行制造^[2]。然而，在过去的数年中，硅和锗硅材料作为一种廉价的替代品，其性能可与Ⅲ-Ⅴ化合物半导体相媲美。索引^[3]给出了一种K波段的互补金属氧化物半导体工艺VCO设计方案，该设计方案实现了一个24.8%的宽调谐范围，使用23.32GHz载波，在100kHz偏置下实现了-88dBc/Hz的相位噪声。索引^[4]提出了一种K波段的SOI 压控振荡器设计方法，有着23%的调谐范围，并且使用22GHz载波在10MHz的偏置下实现了-130dBc/Hz的相位噪声。索引^[3]提供了一种低功率压控振荡器的设计方法，使用SiGe BiCMOS工艺进行制造，实现了22mW的功率消耗。总而言之，具有低相位噪声，低功率消耗和宽带等优势的高度集成的压控振荡器是未来的发展趋势。

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