【摘要】：壓控振蕩器(Voltage-Controlled Oscillator, VCO)是一種通過控制電壓改變輸出信號頻率的振蕩器,被廣泛地應(yīng)用于高速串行數(shù)據(jù)通信、時鐘源、數(shù)據(jù)收發(fā)等相關(guān)領(lǐng)域。壓控振蕩器最大的優(yōu)點(diǎn)是能提供穩(wěn)定、精確的信號源,而調(diào)諧范圍和相位噪聲性能決定了振蕩器能否得到高性能的性能指標(biāo)。隨著4G網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展,高頻、寬帶的VCO在無線通信設(shè)備的地位變的越來越重要。在傳統(tǒng)的CMOS工藝下,設(shè)計者常常會選用經(jīng)典的LC電路結(jié)構(gòu)來設(shè)計振蕩器,這樣不僅會增加工藝的壓力,而且還會極大的影響芯片的集成度,從而增加設(shè)計成本。所以,在傳統(tǒng)CMOS工藝的前提下研究高頻、寬帶的環(huán)形VCO顯得意義重大。本文開始從三個方面介紹了VCO。分別是VCO的研究背景、意義和發(fā)展現(xiàn)狀；然后又從振蕩器的工作原理、常用分類、以及相位噪聲的理論基礎(chǔ)和典型模型出發(fā),進(jìn)一步闡述了振蕩器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。振蕩器的工作原理本文詳細(xì)闡述了負(fù)反饋理論,并從起振,平衡,穩(wěn)定三個方面解釋了振蕩器正常工作所要滿足的條件。振蕩器的常用分類包括晶體振蕩器、阻容振蕩器、LC振蕩器等。振蕩器的相位理論基礎(chǔ)指出對于一個理想的振蕩器,在受外界噪聲干擾時,正弦信號的振幅和相位都會受到微小的影響。相位噪聲的典型模型主要分為非時變模型和時變模型；其次研究了VCO的數(shù)學(xué)模型、壓控振蕩器的主要性能指標(biāo)以及實(shí)現(xiàn)寬范圍調(diào)諧的三種方法。壓控振蕩器的主要性能指標(biāo)包括：中心頻率、電源電壓、調(diào)節(jié)范圍、調(diào)節(jié)線性度等。實(shí)現(xiàn)寬帶調(diào)諧的三種方法包括電容切換方式、變電感方式和多個窄帶VCO切換方式；最后詳細(xì)闡述了本設(shè)計的系統(tǒng)框圖、比較器中運(yùn)放的設(shè)計方法、開關(guān)電路的實(shí)現(xiàn)方式以及延時單元的設(shè)計理念,并在Cadence平臺下對部分核心子電路及整體電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證。本文所設(shè)計的寬帶環(huán)形VCO采用的是SMIC0.18um CMOS工藝,最終設(shè)計出的VCO輸出的頻率調(diào)諧范圍為1.468GHz～10.13GHz;當(dāng)頻率在5GHz時,在10KHz頻偏處的相位噪聲為-23.55dBc/Hz,在100KHz頻偏處的相位噪聲為-51.91dBc/Hz,在1MHz頻偏處的相位噪聲為-80.27dBc/Hz。
[Abstract]:Voltage controlled oscillator (Voltage-Controlled Oscillator, VCO) is a kind of oscillator which can change the frequency of output signal by controlling voltage. It is widely used in high speed serial data communication, clock source, data transceiver and other related fields. The biggest advantage of VCO is that it can provide stable and accurate signal source, and the tuning range and phase noise performance determine whether the oscillator can get high performance index. With the rapid development of 4G network, the position of high frequency, broadband VCO in wireless communication equipment becomes more and more important. In the traditional CMOS process, the designers often choose the classical LC circuit structure to design the oscillator, which will not only increase the pressure of the process, but also greatly affect the integration of the chip, thus increasing the design cost. Therefore, it is of great significance to study high frequency and wide band ring VCO under the premise of traditional CMOS technology. This article begins with the introduction of VCO. in three aspects. The research background, significance and development status of VCO are respectively, and then the internal structure of the oscillator is further elaborated from the working principle, common classification, theoretical basis and typical model of phase noise. In this paper, the theory of negative feedback is described in detail, and the conditions for the oscillator to work normally are explained from three aspects: starting, balancing and stabilizing. The common categories of oscillators include crystal oscillators, resistive and capacitive oscillators and LC oscillators. The phase theory of the oscillator indicates that for an ideal oscillator, the amplitude and phase of sinusoidal signal will be slightly affected by external noise interference. The typical model of phase noise is mainly divided into time-varying model and time-varying model. Secondly, the mathematical model of VCO, the main performance index of VCO and three methods to realize wide range tuning are studied. The main performance parameters of VCO include: central frequency, power supply voltage, adjustment range, adjusting linearity, etc. The three methods to realize broadband tuning include capacitive switching, variable inductance and multiple narrowband VCO switching. Finally, the system block diagram of this design and the design method of operational amplifier in comparator are described in detail. The realization mode of switch circuit and the design idea of delay unit are discussed, and some core sub-circuits and whole circuits are simulated and verified under Cadence platform. The wideband ring VCO designed in this paper adopts the SMIC0.18um CMOS process, and the frequency tuning range of the designed VCO output is 1.468 GHz / 10. 13 GHz when the frequency is at 5GHz, The phase noise at the 10KHz frequency offset is -23.55dBc / Hz. at the 100KHz frequency offset the phase noise is -51.91dBc / Hz, and the phase noise at the 1MHz offset is -80.27dBc / Hz.
【學(xué)位授予單位】：安徽大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN752

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本文編號：2171823