论文总字数：34962字

摘 要

压控振荡器是宽带通信和信号处理中的一个关键的基础模块，主要用于频率合成、提供本振、参与变频的场合。对于许多需要提供稳定本振的场合，一个高性能、低相位的噪声的VCO可能是全部系统中最必须的部门。相比于普通的压控振荡器，交叉耦合式VCO拥有很多优秀的性能，例如实现简单，相位噪声性能优越，可以实现宽频带调谐，因此交叉耦合式VCO的设计是本文的主要研究内容。

本论文首先介绍压控振荡器的基本结构与工作原理，仔细分析了其数学传递模型，写出了其传输函数。同时对压控振荡器的关键指标相位噪声的概念进行了阐述，介绍了相位噪声的产生机制，以及量化标准。接着详细介绍了两种研究VCO中相位噪声的理论，一个是Leeson模型，另一个是Hajimiri模型。重点研究了Hajimiri提出的线性时变模型，学习他所提出的脉冲敏感度函数的仿真方法。最后详细介绍了几种不同的交叉耦合VCO的结构，从中选出相位噪声性能最优越的，并阐述了VCO的设计方法和器件参数选择方法。完成了一个13GHz低相噪VCO的设计，并绘制了版图，完成了后仿真。

本论文最后给出了VCO的功能仿真、相位噪声噪声仿真和功耗仿真的结果，其中电路的稳定起振时间为7.5ns，输出频率范围是14.02GHz到14.33GHz，相位噪声在1MHz频偏处为-113.1dBc/Hz到-117.88dBc/Hz。功耗为4.9084mW。

关键词：压控振荡器；控制通断交叉耦合结构；线性时变模型；相位噪声

Abstract

VCO is one key and fundamental module in the broadband communication and signal processing systems.

It is mainly used for frequency synthesis, providing local oscillator frequency or participating in frequency-mixers. For many occasions that needs stable local oscillation, a high performance and low phase noise VCO may be the most important part of the system. Compared to conventional VCOs, the cross-coupled VCO has many outstanding properties, such as easy to realize, having superior phase noise performance and wide tuning ranges. So the cross-coupled VCO design is the main content of this paper.

This paper first introduces the basic structure and working principles of the VCO and analyses the mathematical model in detail, writes its transfer function. At the same time, illustrates the concept of phase noise, one key parameter of the VCO performance. We also introduce the generation mechanism of the phase noise and its quantitative criteria. Next we introduce two theories of the analysis for phase noise in VCO in detail. One is the Leeson model, another is the Hajimiri model. We mainly focus on the time-varying linear model proposed by Hajimiri, and study the simulation method of the impulse sensitivity function proposed by him. Finally, we introduce several different cross-coupled VCO structures. and choose the one with the best phase noise performance. Also we introduce the design method of VCO and give the method of selecting device parameters. Eventually, we completely finish the design of a 13GHz low phase noise VCO, and draw a layout and complete the post-simulation.

Finally, this paper gives the functional simulation, phase noise simulation and power consumption simulation of the VCO. The stable start-up time is 7.5ns,the output frequency range is 14.02GHz to 14.33GHz,the phase noise in 1MHz offset frequency is -113.1dBc/Hz to -117.88dBc/Hz。The power consumption is 4.9084mW.

KEY WORDS: Voltage-controlled oscillator; switched-biasing cross-coupled structure; linear time-varying model; phase noise

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2国内外发展状况 2

1.3 论文结构及主要研究内容 2

第二章 压控振荡器的基本概念 3

2.1 振荡器的基本结构和工作原理 3

2.1.1 振荡器的反馈机制 3

2.1.2 交叉耦合振荡器结构及分析 4

2.2压控振荡器的基本介绍 6

2.2.1 调谐范围的限制 8

第三章 相位噪声的研究 10

3.1相位噪声的基本概念 10

3.2 相位噪声的影响 11

3.3 相位噪声的研究理论 12

3.3.1 Leeson模型 13

3.3.2 Hajimiri模型 15

第四章 LC-VCO的设计 22

4.1 LC-VCO的结构选择 22

4.1.1 传统的交叉耦合LC-VCO结构 22

4.1.2 控制通断尾电流源结构 23

4.2 LC-VCO的参数设计 24

4.2.1 电感参数的确定与选取 25

4.2.2 可变电容的设计 26

4.2.3 交叉耦合管的设计 27

4.2.4 尾电流源管的设计 28

4.2.5 完整的LC-VCO设计原理图 30

4.3 VCO的原理图仿真 31

4.3.1 Cadence相位噪声以及调谐范围及功耗的仿真 31

4.3.2 不同结构的ISF函数仿真 37

4.7 VCO的版图仿真 39

第五章 总结与展望 43

致 谢 44

参考文献 45

第一章 绪论

1.1研究背景

近几年来，随着移动设备走进千家万户，人们对移动设备的需求也越来越大，这就促使了射频集成电路领域的快速发展。各大公司都在致力于研究更高集成度、更小功耗、更优异性能的射频集成电路。而通信领域的射频集成电路主要由射频模块和基带模块构成。射频模块主要是担任接收射频信号将其放大并变频转化为基带信号的功能。基带模块主要担任着基带信号处理的功能。一个典型的射频模块如图1.1所示，这是一个典型的卫星导航接收机模块。射频信号通过天线进入低噪声放大器放大后进入下变频混频器，通过与本振信号源提供的本振信号混频为中频信号，然后经过滤波器和AD转换器转换为基带信号处理。这时候一个能提供稳定频率的本振信号源就显得尤为重要。而一个本振信号源中最为重要的模块就是压控振荡器，一个性能优异的压控振荡器直接影响着整个射频系统性能的好坏。因此高性能的压控振荡器现在逐渐成为了人们关注的焦点。

图1.1 卫星导航接收机

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