第一章前言 MOS管电容。PN结电容是在N阱上做一层p+有源区，从而实现一个pn-wll结电容： 外一类可变电容的实现方法是利用MOS管工作在不同的区域（强反型区、耗尽区和累积区） 从而改变电容值。根据MOS管的源极(S),漏极(D)以及衬底(B)的不同连接方法，使得MOS 管的电容可以分成三种不同的情况。 电感电容压控振荡器的两个基本无源器件的片上实现问题得到基本解决后，接着需要解 决的问题是选择合适的电路结构，优化片上电感、可变电容和MOS管的尺寸参数，使得压 控振荡器在相位噪声、功耗以及调谐范围等性能指标上达到一个最优结果。另外，具有正交 输出的压控振荡器的设计也是一个研究热点。 ·相位噪声理论和降噪技术 大多数情况下，压控振荡器的相位噪声性能是影响集成接收机灵敏度的最主要的因素。 理想的正弦波的频谱是一个脉冲函数，但是由于实际电路中存在噪声，振荡器输出的信号频 谱特性都有一定程度的相位噪声。电感电容压控振荡器的噪声主要来源于低Q值片上电感 中的串联电阻，开关差分对管和尾电流源。电路中的有源和无源器件的白噪声，在频偏较大 的频率上产生1/P特性的相位噪声：而闪烁噪声在频偏较小的频率范围产生1特性的相位 噪声。相位噪声对射频信号的混频非常不利，很大的相位噪声会将很强的邻近干扰信号混频 到信道中，造成信号频谱的阻塞现象，从而降低了信道中的信噪比。 在电感电容压控振荡器研究的不断深入的过程中，一个具有指导性的噪声理论一一振荡 器相位噪声产生机制和计算理论，也渐渐得以完善，该理论研究的突破为设计低相位噪声提 供了理论上的指导。 从振荡器的单个噪声源计算相位噪声特性主要有两种方法：第一种相位噪声理论由 Razavi等人提出，他们将振荡器等效为一个线性时不变系统，然后用正弦电压信号等效噪声 信号源注入到电路中的电压节点上：第二种方法是Ali Hajimiri等人在线性相位时变系统的 假设条件下，将噪声源看作为一个冲击电流源，观察输出的相位响应函数。前一种方法在频 偏较大的频率上的计算比较准确，但不适合频偏较近的上1/P特性区域：后一种方法由于采 用了谐波的互相混频调制的机制，因此在整个区域上都比较准确。 随着对压控振荡器的相位噪声产生的物理机制的渐渐认清，许多人提出了大量降低相位 噪声的方法，其中最具代表的技术是噪声滤波技术，闪烁噪声降低技术。这些技术的采用使 得在CMOS工艺实现的压控振荡器的相位噪声特性能够做到与双极工艺相当，甚至能够与 分立器件相媲美。 1.3论文研究的内容和贡献 本论文工作的主要内容和贡献包括： 1)提出了片上电感中金属间寄生电容等效模型，并且具体计算了两种硅基串联叠层电感的 等效电容，解释了单端3D串联叠层电感的自激振荡频率也能够做得很高的原因。 2)提出了两种提高电感品质因数的技术：金属线多通路并联和深阱反偏双PN结隔离。金 属线多通路并联技术用来减少高频时金属趋肤和邻近效应对电感串联电阻的影响：在硅 衬底上采用深阱反偏双PN结可以阻止衬底表面涡流的产生。 3)提出了采用阶跃可变电容的压控振荡器的频率一电压压控曲线分析方法。从时间域角度 对电感电容谐振电路的周期计算方法在理论上进行了系统推导，阐述了阶跃可变电容能 够进行频率控制的本质，得到了一种计算频率一电压压控曲线的有效方法。 4) 提出了振荡器设计中片上电感的最小R,/L设计原则，并且总结了振荡器设计和优化的 一般步骤。 5) 提出了感性压控端降噪技术，该技术消除了可变电容非线性对振荡器品质因数的影响， 并在很大程度上抑制了振荡波形中的偶次谐波分量。 电感电容压控振荡器 3第一章 前言 电感电容压控振荡器 3 MOS 管电容。PN 结电容是在 N 阱上做一层 p+有源区，从而实现一个 p+ /n-well 结电容；另 外一类可变电容的实现方法是利用 MOS 管工作在不同的区域(强反型区、耗尽区和累积区) 从而改变电容值。根据 MOS 管的源极(S)，漏极(D)以及衬底(B)的不同连接方法，使得 MOS 管的电容可以分成三种不同的情况。 电感电容压控振荡器的两个基本无源器件的片上实现问题得到基本解决后，接着需要解 决的问题是选择合适的电路结构，优化片上电感、可变电容和 MOS 管的尺寸参数，使得压 控振荡器在相位噪声、功耗以及调谐范围等性能指标上达到一个最优结果。另外，具有正交 输出的压控振荡器的设计也是一个研究热点。 z 相位噪声理论和降噪技术 大多数情况下，压控振荡器的相位噪声性能是影响集成接收机灵敏度的最主要的因素。 理想的正弦波的频谱是一个脉冲函数，但是由于实际电路中存在噪声，振荡器输出的信号频 谱特性都有一定程度的相位噪声。电感电容压控振荡器的噪声主要来源于低 Q 值片上电感 中的串联电阻，开关差分对管和尾电流源。电路中的有源和无源器件的白噪声，在频偏较大 的频率上产生 1/f2 特性的相位噪声；而闪烁噪声在频偏较小的频率范围产生 1/f3特性的相位 噪声。相位噪声对射频信号的混频非常不利，很大的相位噪声会将很强的邻近干扰信号混频 到信道中，造成信号频谱的阻塞现象，从而降低了信道中的信噪比。 在电感电容压控振荡器研究的不断深入的过程中，一个具有指导性的噪声理论——振荡 器相位噪声产生机制和计算理论，也渐渐得以完善，该理论研究的突破为设计低相位噪声提 供了理论上的指导。 从振荡器的单个噪声源计算相位噪声特性主要有两种方法：第一种相位噪声理论由 Razavi 等人提出，他们将振荡器等效为一个线性时不变系统，然后用正弦电压信号等效噪声 信号源注入到电路中的电压节点上；第二种方法是 Ali Hajimiri 等人在线性相位时变系统的 假设条件下，将噪声源看作为一个冲击电流源，观察输出的相位响应函数。前一种方法在频 偏较大的频率上的计算比较准确，但不适合频偏较近的上 1/f3 特性区域；后一种方法由于采 用了谐波的互相混频调制的机制，因此在整个区域上都比较准确。 随着对压控振荡器的相位噪声产生的物理机制的渐渐认清，许多人提出了大量降低相位 噪声的方法，其中最具代表的技术是噪声滤波技术，闪烁噪声降低技术。这些技术的采用使 得在 CMOS 工艺实现的压控振荡器的相位噪声特性能够做到与双极工艺相当，甚至能够与 分立器件相媲美。 1.3 论文研究的内容和贡献 本论文工作的主要内容和贡献包括： 1) 提出了片上电感中金属间寄生电容等效模型，并且具体计算了两种硅基串联叠层电感的 等效电容，解释了单端 3D 串联叠层电感的自激振荡频率也能够做得很高的原因。 2) 提出了两种提高电感品质因数的技术：金属线多通路并联和深阱反偏双 PN 结隔离。金 属线多通路并联技术用来减少高频时金属趋肤和邻近效应对电感串联电阻的影响；在硅 衬底上采用深阱反偏双 PN 结可以阻止衬底表面涡流的产生。 3) 提出了采用阶跃可变电容的压控振荡器的频率－电压压控曲线分析方法。从时间域角度 对电感电容谐振电路的周期计算方法在理论上进行了系统推导，阐述了阶跃可变电容能 够进行频率控制的本质，得到了一种计算频率－电压压控曲线的有效方法。 4) 提出了振荡器设计中片上电感的最小 R L s 设计原则，并且总结了振荡器设计和优化的 一般步骤。 5) 提出了感性压控端降噪技术，该技术消除了可变电容非线性对振荡器品质因数的影响， 并在很大程度上抑制了振荡波形中的偶次谐波分量