复旦大学：《微电子学与固体电子学》教学资源（硕士士学位论文）宽带电感电容压控振荡器的研究与设计.pdf_大学文库

I 目录目录....................................................................................................................I 摘要..................................................................................................................III Abstract............................................................................................................IV 第一章概述 ......................................................................................................1 1.1 研究背景 ..............................................................................................1 1.2 压控振荡器...........................................................................................3 1.3 论文主要工作和贡献.............................................................................4 1.4 论文组织结构 .......................................................................................4 参考文献 .....................................................................................................5 第二章电感电容压控振荡器 .............................................................................6 2.1 基本结构 ..............................................................................................6 2.2 性能参数 ..............................................................................................7 2.2.1 频率覆盖范围..............................................................................7 2.2.2 振荡幅度 .....................................................................................7 2.2.3 相位噪声 .....................................................................................8 2.2.4 调谐增益 ...................................................................................10 参考文献 ...................................................................................................12 第三章宽带压控振荡器的设计与优化.............................................................13 3.1 片上电感的优化..................................................................................13 3.2 功耗的优化.........................................................................................14 3.3 相位噪声的优化..................................................................................17 3.4 频率范围对调谐增益的影响................................................................18 参考文献 ...................................................................................................19 第四章调谐增益的优化 ..................................................................................21 4.1 降低调谐增益的方法...........................................................................21 4.2 调谐增益随频率的变化.......................................................................25 4.3 采用开关可变电容阵列的宽带压控振荡器 ..........................................27 4.4 其它稳定调谐增益的技术 ...................................................................30 4.4.1 控制电感感值的变化 .................................................................30 4.4.2 改变电容-电压特性曲线.............................................................31 4.4.3 数字信号反馈............................................................................33 参考文献 ...................................................................................................34

II 第五章低调谐增益变化的宽带振荡器设计......................................................36 5.1 振荡器基本结构..................................................................................36 5.2 片上电感 ............................................................................................37 5.3 开关可变电容阵列 ..............................................................................38 5.4 开关电容阵列 .....................................................................................39 5.5 电平移位电路 .....................................................................................41 5.6 二次谐波谐振 .....................................................................................45 参考文献 ...................................................................................................45 第六章芯片实现与测试 ..................................................................................47 6.1 采用开关可变电容阵列的宽带压控振荡器 ..........................................47 6.1.1 芯片实现 ...................................................................................47 6.1.2 测试方案 ...................................................................................51 6.1.3 测试结果 ...................................................................................51 6.2 应用于电视调谐器的宽带压控振荡器..................................................54 6.2.1 芯片实现 ...................................................................................54 6.2.2 仿真与测试结果.........................................................................54 6.3 测试结果小结 .....................................................................................56 参考文献 ...................................................................................................57 第七章总结与未来展望 ..................................................................................58 7.1 论文总结 ............................................................................................58 7.2 未来展望 ............................................................................................58 致谢.................................................................................................................59

摘要无线通信技术和CMOS工艺的迅速发展使得越来越多的单片集成射频系统成为可能，而应用于数字高清电视的射频电视调谐器正是其中之一。同时，适逢全世界数字电视产业的飞速发展，电视调谐器系统的单片集成技术更是得到了广泛的关注和深入的研究。压控振荡器作为频率综合器的关键组成部分，对锁相环的频率覆盖范围、相位噪声、功耗等重要性能都有直接影响，是电视调谐器系统的重要模块。本文研究了电感电容压控振荡器的电路理论与实现方法，并进一步针对调谐增益性能的优化设计了应用于数字电视调谐器的宽带压控振荡器。首先，从电视调谐器系统架构得出宽带压控振荡器的性能指标要求，初步分析了电路设计的难点。接着，对基本的电感电容压控振荡器进行分析，研究了振荡器的基本结构和工作原理。在此基础上，介绍了压控振荡器的主要性能指标如频率范围、相位噪声、调谐增益的理论分析，为压控振荡器的分析和设计提供了初步的理论基础。其次，研究了宽带压控振荡器的设计与优化。从介绍宽频率范围对压控振荡器性能的影响入手，进而分析了宽带压控振荡器设计中针对各性能指标的优化方法。在此基础上，着重对调谐增益性能与频率的关系进行了分析，并对目前已有的优化调谐增益方法作了总结。随后，作为本文的工作重点，设计了应用于数字电视调谐器的宽带压控振荡器。提出了一种采用开关可变电容阵列稳定调谐增益的宽带压控振荡器的设计方法。该电路在利用开关固定电容阵列降低调谐增益的同时，还采用了开关可变电容阵列来调整等效可变电容的大小，以达到稳定调谐增益的目的：最后，通过两次流片测试验证了电路的基本理论和设计方法的正确性。文中详细介绍了芯片版图设计、测试等环节需要考虑的细节问题。总结了该电路的优缺点和设计极限，并与其他设计进行了比较。测试结果显示芯片各项指标己经基本满足了电视调谐器的系统要求。关键词：宽带压控振荡器，调谐增益，电视调谐器，片上电感，中图分类号：TN4 I

III 摘要无线通信技术和CMOS工艺的迅速发展使得越来越多的单片集成射频系统成为可能，而应用于数字高清电视的射频电视调谐器正是其中之一。同时，适逢全世界数字电视产业的飞速发展，电视调谐器系统的单片集成技术更是得到了广泛的关注和深入的研究。压控振荡器作为频率综合器的关键组成部分，对锁相环的频率覆盖范围、相位噪声、功耗等重要性能都有直接影响，是电视调谐器系统的重要模块。本文研究了电感电容压控振荡器的电路理论与实现方法，并进一步针对调谐增益性能的优化设计了应用于数字电视调谐器的宽带压控振荡器。首先，从电视调谐器系统架构得出宽带压控振荡器的性能指标要求，初步分析了电路设计的难点。接着，对基本的电感电容压控振荡器进行分析，研究了振荡器的基本结构和工作原理。在此基础上，介绍了压控振荡器的主要性能指标如频率范围、相位噪声、调谐增益的理论分析，为压控振荡器的分析和设计提供了初步的理论基础。其次，研究了宽带压控振荡器的设计与优化。从介绍宽频率范围对压控振荡器性能的影响入手，进而分析了宽带压控振荡器设计中针对各性能指标的优化方法。在此基础上，着重对调谐增益性能与频率的关系进行了分析，并对目前已有的优化调谐增益方法作了总结。随后，作为本文的工作重点，设计了应用于数字电视调谐器的宽带压控振荡器。提出了一种采用开关可变电容阵列稳定调谐增益的宽带压控振荡器的设计方法。该电路在利用开关固定电容阵列降低调谐增益的同时，还采用了开关可变电容阵列来调整等效可变电容的大小，以达到稳定调谐增益的目的。最后，通过两次流片测试验证了电路的基本理论和设计方法的正确性。文中详细介绍了芯片版图设计、测试等环节需要考虑的细节问题。总结了该电路的优缺点和设计极限，并与其他设计进行了比较。测试结果显示芯片各项指标已经基本满足了电视调谐器的系统要求。关键词：宽带压控振荡器，调谐增益，电视调谐器，片上电感，中图分类号：TN4

第一章概述第一章概述 1.1研究背景随着信息通信和集成电路技术的不断进步，各种基于CMOS集成电路工艺的有线/无线收发系统都得到了迅猛的发展。技术的不断革新使得一些传统的射频收发系统逐渐被淘汰，如电报、传呼机等：另外一些在不断的改进和完善，如手机，无线局域网等：而更多的新兴技术和领域正蓄势待发，将对各种传统模式和人们的日常生活带来巨大的变革。这些新兴领域包括射频识别(RFD),超宽带网 (UWB),数字高清电视等。数字高清电视是新兴产业。相对于传统的模拟电视，数字电视具有画面清晰度高，抗干扰能力强，频谱利用率高等优点，因此得到了世界各国的广泛关注。从1996年法国在全世界首先试播数字电视以来，各国均积极的制定了自己的发展战略，到2006年美国已经全部实现了电视信号的数字化传送，淘汰了传统的模拟电视。而中国国家广播电视局也制定了我国数字电视发展三步走的规划1]： 2005年，卫星传输、有线电视网和各省电视台全部实现数字化：2010年，广播影视节目制作、播出及传输实现数字化，数字电视接收机得到普及：2015年，全面实现电视信号数字化，停止模拟电视的播出。相应的，世界各国和地区都指定了自己的数字电视编解码与传输标准2]。北美采用的是ATSC(Advanced Television Systems Committee)标准，欧洲大部分国家采用DVB-T(Digital Video Broadcasting-Terrestrial)标准，日本采用单独的 ISDB-T(Integrated Services Digital Broadcasting-Terrestria)标准，中国也于 2oo6年推出了自己的DMB-T/H(Terrestrial Digital Multimedia/Television Broadcasting,地面数字多媒体/电视广播)标准3]。全球数字电视产业链正在全球市场的高涨需求下全面铺开。数字电视调谐器作为数字电视中的关键模块，也便成了当前的研究热点而被广泛关注。图1.1是采用了两次变频架构的低中频射频数字电视调谐器的结构[4,5]，大致可分为三部分：射频前端、模拟前端和数字基带部分。天线接收到的高频信号通过射频前端后转变成所需要的低中频正交信号，再送入模拟前端进行处理。调谐器的射频前端主要包括低噪声放大器(LNA,Low-Noise Amplifier)),上变频混频器(Up-Mixer),下变频混频器(Down-Mixer),压控振荡器VCO,Voltage- Controlled Oscillator),频率综合器(Frequency Synthesizer,或称锁相环PLL)等模块。天线接收到的宽带射频信号经片外滤波后首先通过一个可变增益LNA放大，然后通过上变频和下变频两次变频后得到正交中频信号引和Q输出，两个本振信号均由片上PLL环路产生

第一章概述 1 第一章概述 1.1 研究背景随着信息通信和集成电路技术的不断进步，各种基于CMOS集成电路工艺的有线/无线收发系统都得到了迅猛的发展。技术的不断革新使得一些传统的射频收发系统逐渐被淘汰，如电报、传呼机等；另外一些在不断的改进和完善，如手机，无线局域网等；而更多的新兴技术和领域正蓄势待发，将对各种传统模式和人们的日常生活带来巨大的变革。这些新兴领域包括射频识别(RFID)，超宽带网络 (UWB)，数字高清电视等。数字高清电视是新兴产业。相对于传统的模拟电视，数字电视具有画面清晰度高，抗干扰能力强，频谱利用率高等优点，因此得到了世界各国的广泛关注。从1996 年法国在全世界首先试播数字电视以来，各国均积极的制定了自己的发展战略，到2006年美国已经全部实现了电视信号的数字化传送，淘汰了传统的模拟电视。而中国国家广播电视局也制定了我国数字电视发展三步走的规划[1]： 2005 年，卫星传输、有线电视网和各省电视台全部实现数字化；2010 年，广播影视节目制作、播出及传输实现数字化，数字电视接收机得到普及；2015 年，全面实现电视信号数字化，停止模拟电视的播出。相应的，世界各国和地区都指定了自己的数字电视编解码与传输标准[2]。北美采用的是ATSC(Advanced Television Systems Committee)标准，欧洲大部分国家采用DVB-T(Digital Video Broadcasting-Terrestrial) 标准，日本采用单独的 ISDB-T(Integrated Services Digital Broadcasting-Terrestrial)标准，中国也于 2006 年推出了自己的 DMB-T/H(Terrestrial Digital Multimedia/Television Broadcasting，地面数字多媒体/电视广播)标准[3]。全球数字电视产业链正在全球市场的高涨需求下全面铺开。数字电视调谐器作为数字电视中的关键模块，也便成了当前的研究热点而被广泛关注。图1.1是采用了两次变频架构的低中频射频数字电视调谐器的结构 [4, 5]，大致可分为三部分：射频前端、模拟前端和数字基带部分。天线接收到的高频信号通过射频前端后转变成所需要的低中频正交信号，再送入模拟前端进行处理。调谐器的射频前端主要包括低噪声放大器(LNA, Low-Noise Amplifier)，上变频混频器(Up-Mixer)，下变频混频器(Down-Mixer)，压控振荡器 (VCO, VoltageControlled Oscillator)，频率综合器(Frequency Synthesizer，或称锁相环PLL)等模块。天线接收到的宽带射频信号经片外滤波后首先通过一个可变增益LNA 放大，然后通过上变频和下变频两次变频后得到正交中频信号I 和Q 输出，两个本振信号均由片上PLL环路产生

第一章概述 1.3论文主要工作和贡献论文主要研究用于射频电视调谐器的宽带压控振荡器，其主要工作和贡献包括： )阐述了电感电容压控振荡器的基本架构和工作原理。 2)研究分析了电路性能与振荡器输出频率的关系。 3)总结了稳定调谐增益的方法，提出基于开关可变电容阵列稳定调谐增益的方法。为需要稳定调谐增益的宽带压控振荡器设计提供借鉴。 4)设计了应用于数字电视调谐器的宽带压控振荡器，采用了开关可变电容阵列和差分调谐电压降低调谐增益，并采用尾电感电容二次谐波谐振结构优化相位性能。 5)流片测试验证了设计的正确性。概括而言，本文总结和完善了稳定调谐增益的宽带压控振荡器电路结构，在此基础上设计出了能够满足电视调谐器中宽带频率综合器要求的具有稳定调谐增益的宽带压控振荡器。经过流片测试，验证了理论分析和电路设计的正确性。 1.4论文组织结构本论文针对数字电视调谐器的系统应用，分析了压控振荡器的性能，并设计出了满足系统性能要求的宽带电感电容压控振荡器。具体组织结构如下：第二章简要介绍了电感电容压控振荡器的电路结构，噪声理论及调谐增益分析的基础知识。第三章先介绍了现有系统对压控振荡器频率覆盖范围的要求，然后详细分析了频率范围对于压控振荡器电路性能的影响，包括相位噪声，输出幅度和调谐增益等指标。第四章进一步介绍了具有稳定调谐增益的宽带电感电容压控振荡器设计。总结了现有稳定调谐增益的设计方法，并介绍了采用开关可变电容阵列稳定调谐增益的压控振荡器结构。第五章介绍了基于开关可变电容阵列的低调谐增益变化的宽带压控振荡器设计。采用了开关可变电容阵列和差分调谐结构，稳定并降低调谐增益：采用了尾电感电容二次谐波谐振优化相位噪声，使该设计满足数字电视调谐器的系统应用。第六章基于前面的理论分析，设计了一个宽带电感电容压控振荡器，包括实际电路设计和仿真，版图实现的考虑，芯片测试方案及测试结果。第七章是对本文的总结，并对未来进一步的工作提出了展望

第一章概述 4 1.3 论文主要工作和贡献论文主要研究用于射频电视调谐器的宽带压控振荡器，其主要工作和贡献包括： 1) 阐述了电感电容压控振荡器的基本架构和工作原理。 2) 研究分析了电路性能与振荡器输出频率的关系。 3) 总结了稳定调谐增益的方法，提出基于开关可变电容阵列稳定调谐增益的方法。为需要稳定调谐增益的宽带压控振荡器设计提供借鉴。 4) 设计了应用于数字电视调谐器的宽带压控振荡器，采用了开关可变电容阵列和差分调谐电压降低调谐增益，并采用尾电感电容二次谐波谐振结构优化相位性能。 5) 流片测试验证了设计的正确性。概括而言，本文总结和完善了稳定调谐增益的宽带压控振荡器电路结构，在此基础上设计出了能够满足电视调谐器中宽带频率综合器要求的具有稳定调谐增益的宽带压控振荡器。经过流片测试，验证了理论分析和电路设计的正确性。 1.4 论文组织结构本论文针对数字电视调谐器的系统应用，分析了压控振荡器的性能，并设计出了满足系统性能要求的宽带电感电容压控振荡器。具体组织结构如下：第二章简要介绍了电感电容压控振荡器的电路结构，噪声理论及调谐增益分析的基础知识。第三章先介绍了现有系统对压控振荡器频率覆盖范围的要求，然后详细分析了频率范围对于压控振荡器电路性能的影响，包括相位噪声，输出幅度和调谐增益等指标。第四章进一步介绍了具有稳定调谐增益的宽带电感电容压控振荡器设计。总结了现有稳定调谐增益的设计方法，并介绍了采用开关可变电容阵列稳定调谐增益的压控振荡器结构。第五章介绍了基于开关可变电容阵列的低调谐增益变化的宽带压控振荡器设计。采用了开关可变电容阵列和差分调谐结构，稳定并降低调谐增益；采用了尾电感电容二次谐波谐振优化相位噪声，使该设计满足数字电视调谐器的系统应用。第六章基于前面的理论分析，设计了一个宽带电感电容压控振荡器，包括实际电路设计和仿真，版图实现的考虑，芯片测试方案及测试结果。第七章是对本文的总结，并对未来进一步的工作提出了展望