南京邮电大学微电子学毕业设计

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1、南京邮电大学毕业设计（论文）开题报告题目一种高速环形压控振荡器的设计学生姓 名B100207范浩如班级学号B10020726专业微电子学、课题背景及意义11课题背景及内容在锁相环、频率综合器和时钟数据恢复等电路中，压控振荡器Voltage Controlled Oscillator, VCO）是重要的组成部分，一定程度上决定了整个环路的性能。环形VCO由于高集成度、高可 靠性等优势被广泛采用。从集成电路的发明开始，对电路速度的追求就从未间断，特别是近年来 通信领域的快速发展，更是要求电路能满足越来越高速率的应用需求。作为电路中产生时钟的重 要模块，高速环形VCO的设计成为一个研究热点。本课题拟

2、米用标准的0.18 Am CMOS工艺设 计出一种可用于锁相环的高速环形压控振荡器。1.2课题的意义VCO即压控振荡器，是射频电路的重要组成部分。射频电路多采用调制解调方式，因此 严重依赖本振。而现代通信技术要求复用、跳频等新技术，采用电压控制振荡回路中电容的电容 量，进而改变振荡回路谐振频率就成为实现这些技术的手段之一。二、课题所涉及技术的理论简述2.1 VCO的发展VCO自其诞生以来就一直在通信、电子、航海航空航天及医学等领域扮演重要的角色。指 导 教 师 批 阅 意 见该冋学通过广泛地研读相关的文献资料，对高速环形压控振荡器的基本原理有了明确 的理解，对如何使用cadence软件对压控振

3、荡器的设计及仿真有了明确的实施方案，总体思 路可行，进度和时间合理，已达到毕业设计开题要求，同意开题。指导教师（签名）：张长春2014年3月22日在无线电技术发展的初期，它就在发射机中用来产生高频载波电压，在超外差接收机中 用作本机振荡器，成为发射和接收设备的基本部件。随着电子技术的迅速发展，振荡器的用 途也越来越广泛，例如在无线电测量仪器中，它产生各种频段的正弦信号电压：在热加工、 热处理、超声波加工和某些医疗设备中，它产生大功率的高频电能对负载加热；某些电气设 备用振荡器做成的无触点开关进行控制；电子钟和电子手表中采用频率稳定度很高的振荡 电路作为定时部件等。在通信系统电路中，压控振荡器（

4、VCO）是其关键部件，特别是在锁相环电路、时钟恢复 电路和频率综合器电路等更是重中之重，可以毫不夸张地说在电子通信技术领域，VCO几 乎和电流源和运放具有同等重要地位。2.2 VCO的性能指标VCO的性能指标主要包括：1）频率调谐范围；2）振荡器的频率稳定度；3）频谱纯度； 4）推频系数；5）频率牵引；6）电调速度；7）相位噪声。频率调谐范围是VCO的主要指标之一，与谐振器及电路的拓扑结构有关。通常，调谐 范围越大，谐振器的Q值越小，谐振器的Q值与振荡器的相位噪声有关，Q值越小，相位 噪声性能越差。振荡器的频率稳定度包括长期稳定度和短期稳定度,它们各自又分别包括幅度稳定度和 相位稳定度。长期相

5、位稳定度和短期幅度稳定度在振荡器中通常不考虑;长期幅度稳定度主 要受环境温度影响，短期相位稳定度主要指相位噪声。在各种高性能、宽动态范围的频率变 换中，相位噪声是一个主要限制因素。在数字通信系统中，载波信号的相位噪声还要影响 载波跟踪精度。其它的指标中，振荡器的频谱纯度表示了输出中对谐波和杂波的抑制能力；推频系数表 示了由于电源电压变化而引起的振荡频率的变化;频率牵引则表示了负载的变化对振荡频率 的影响；电调速度表示了振荡频率随调谐电压变化快慢的能力。在压控振荡器的各项指标中，频率调谐范围和输出功率是衡量振荡器的初级指标，其余 各项指标依据具体应用背景不向而有所侧重。例如，在作为频率合成器的一

6、部分时，对VCO 的要求，可概括为一下几方面：应满足较高的相位噪声要求；要有极快的调谐速度，频温特 性和频漂性能要好；功率平坦度好；电磁兼容性好。2.3 VCO基本原理目前的振荡器电路可分为两类：正弦振荡器和多谐振荡器。正弦振荡器可以产生近似正弦波的信号输出，一般频谱纯度高，相位噪声性能比较好。 LC振荡器就是典型的正弦振荡器电路。多谐振荡器也可称为张驰振荡器，这类电路通过储能器件（通常是电容）在电路的两 个门限电平之间来回充放电来工作的。张弛振荡器上储能元件的输出波形通常是线性或按照 指数律变化的锯齿波。在开关元件两端则输出矩形波。环形振荡器是典型的张弛振荡器。2.4 VCO的起震条件振荡器

7、产生周期信号，可以用反馈理论来分析。如下图所示，作为反馈振荡器，当它刚 接通电源时，振荡电压是不会立即建立的，而必须经历一段振荡电压的振幅从无到有、逐步 增长的过程，直到进入平衡状态，振荡电压的振幅和频率就会维持在相应的平衡值上.此时， 即使有外界不稳定因素的影响，振幅和频率仍应稳定在原平衡值附近，而不会产生突变或停 止振荡。2.5 VCO电路环形振荡器是由若干个增益级首尾相连组成的。这个结构的总直流相位偏移为1800。 容易看出，环路以2M*Td为周期振荡（Ts乃是每级再带一级负载而产生的延迟）。在典型的 1C技术中，门延迟在工艺上是可控的，所以振荡器的频率及其变化范围能够在一定精度下 预测

8、。图2环形振荡器可采用多个增益级来构成。但对于单端电路，总的增益级级数必须是奇数, 不然电路就会进入“闩锁”状态。这点从前面几节的分析中就可以看出。如果型.8中的环形 振荡器由5级反相器构成。那么振荡频率就是l/（10T）。但如果放大级采用差分结构，就不一定要求级数是奇数了。因为只需要把差分输入的两端调换一下位置，就可以实现环路直 流1800的倒相。所以采用差分对形式的增益级可以构成偶数级的环形振荡器。这是一个比较 重要的特性。同时，环形振荡器可以产生多相位的波形，这一点也是它的一个重要的特性。射频高速 系统中经常要用到正交信号。若采用4级的环形振荡器，振荡时每级的交流相移为45,每 两级的交

9、流相移就是90，从而可以很方便的得到0和90的本振信号。环形振荡器的级数 是根据各种不同的要求来确定的，比如速度、功耗、噪声抑制能力等等。在大多数应用情况 下，通常3到5级可以获得最优的性能。2.6 VC0的几种增益级环形振荡器中的增益级可以有多种实现方式，图4给出了几种实现方式。为了减小电源 和衬底噪声的影响，通常每单元都采用差分结构。Vde| r jwjvin%4OVddMi图4Q* I *0JU经过无数研究者的改进和验证，从最初的简单的延迟单元演变出更多种类更好性能的 延迟单元，从单端的延迟单元演变成差分延迟单元，从简单的负载演变成结构略为复杂但能 带来性能上的提高的负载，目前的环形振荡

10、器的研究正在向多样化结构发展。普遍采用的几种结构如图5-7所示。图5图6图72.7提高环形振荡器振荡频率的几种方法如前面所述。如果要提高环形振荡器的振荡频率，关键在于减小单个延迟单元产生的延 迟，而要达到这种目的，一般从两个方面考虑：一是针对环路连接结构做一些改动；二是可 以考虑改变延迟单元内部的连接结构。对应上面的两个方面，当前采用的提高振荡器频率的 主要方法有两种；一种称为前馈(feed-forward)或者双延迟路径技术(dual delaypaths technique)，是通过改变环路的结构来减少单元延迟的；另外一种是采用矢量叠加方法，通 过改变延迟单元内部钓连接结构来减少单元延迟的

11、。前馈技术或者双延迟路径技术的基本原理是:一般的环形振荡器结构内部仅存在一条环 路，即延迟单元首尾相连所组成的主环路，而采用前馈技术或者双路延迟路径技术构成的环 形振荡器结构内部则存在两条环路，即主工作环路和二级工作环路。主环路是连接每级延迟 单元的N输入对管与前一级差分输出对管的环路(注意：连接原则是将极性相反的端相连)， 而二级环路则是连接每级延迟单元的P输入对管与前两级的差分输出对(注意：连接原则是 将极性相同的端相连)，如图8所示为一个三级的采用前馈技术连接的环形振荡器的框图。图8上图中粗实线部分代表的是主环路(prilmry 100p),细实线部分代表的是二级环路 (secondar

12、y loop)。我们知道，P管的速度比N管要慢，采用前馈技术的目的就在于通过提前 开启P管(也就是开启P管的电压比开启N管的电压先到达)来减少单个延迟单元的延迟时间， 从而提高整个电路的振荡频率。参考资料1 毕查德拉扎维.陈贵灿，程君，张瑞智等译.模拟CMOS集成电路设计M.西安： 西安交通大学出版社,2003.2 马龙.宽调谐低相位噪声的环形压控振荡器设计D.上海：上海交通大学,2009.3 严菲.环形压控振荡器的研究和电路设计D.南京：东南大学，2007.4 王雪艳，朱恩，熊明珍，王志功.11GHz CMOS环形压控振荡器设计J.半导体学报， 2005, 26(1): 187-1905 李

13、浩.集成SOI CMOS环形压控振荡器的研究D.杭州电子科技大学6 陈永洁，刘忠，危长明，王守军低相位噪声CMOS环形压控振荡器的研究与设计J. 微电子学,2008, 38(6): 873-8777 马龙.宽调谐低相位噪声的环形压控振荡器设计D:硕士论文.上海：上海交通大学8 李旺,唐俊.频率源中低相噪VCO的研究与设计J.固体电子学研究与进展.2013(06)9 Y. A. Eken, J. P. Uyemura. A 5.9GHz voltage controlled ring scilla tor in 0.18“m CMOS IEEE J. Solid-State Circuits,

14、2004, 39(1): 230-23310 S. Kurachi, T. Yoshimasu, N. Itoh, and K. Yonemura, 5-GHz band highly linear VCO IC with novel resonant circuit C. 2007 Tropical Meeting on Silicon Monolithic Integrated Circuitsin RF Systems, 2007: 285-288实施方案和进度第12周开题报告；第34周 收集、整理环形VCO的资料，熟悉并掌握仿真软件Cadence；第56周 掌握环形VCO的基本原理，设计出延迟单元电路结构，搭建整体电路;第7周“五一”长假；中期检查；第89周调试电路，对电路做针对性优化和改进；第1011周完成仿真，得到电路的仿真结果并进行优化，最终满足要求；第1213周撰写报告；第1314周 答辩准备工作，毕业设计答辩。