1. 研究目的与意义
背景:压控振荡器(VCO)是一种振荡频率随控制电压变化而变化的可调振荡器,广泛应用于现代通信系统中。它在时钟发生器、时钟数据恢复、锁相环、频率合成电路中被用来选频、滤波、调谐或提供精确稳定的周期时钟,在整个系统中起到关键的作用。在锁相环系统中,压控振荡器与鉴频鉴相器、低通滤波器构成反馈系统,使系统输出振荡信号频率与输入信号频率一致,相位差恒定。由于压控振荡器的应用范围很广,不同应用领域对其性能要求也不一样。在锁相环系统中,压控振荡器必须要拥有好的线性度和低的相位噪声,依据此两点要求,本文旨在寻找一种高线性、低相噪的CMOS振荡器结构,通过对不同电路结构进行比较,分析它们的优缺点及适用范围,找到一种具有良好线性度与抗相噪能力的压控振荡器电路。
意义:环形振荡器不使用电感,可以用标准的CMOS工艺实现集成,可节省大量的面积,而且环形结构具有较大的频率调节范围,可实现较好的频率调节线性度。差分型的环形振荡器在调节线性度、共模噪声抑制、环境噪声抑制等方面的能力与其他环形结构相比更突出。尽管如此,LC振荡器的噪声性能仍然优于环形振荡器,但在标准CMOS工艺中,由于采用了防止闩锁效应的高掺杂衬底,当频率较高时电感Q值下降,而CMOS环形振荡器有着易于与数字电路集成的优点,在系统芯片中有着不错的应用前景。
2. 课题关键问题和重难点
收集有关CMOS环形振荡器的相关资料,通过阅读资料了解并总结高线性低相噪振荡器的实现原理和电路设计方案。完成一款CMOS环形压控振荡器的设计,并对输出线性度和抗噪性进行优化。它的输入电压范围为1-1.8V,输出频率范围为50MHz-200MHz。此压控振荡器在TSMC0.35μm工艺下利用Cadence软件完成设计和电路的仿真,拥有不错的线性度,相位噪声在频率偏离中心频率100KHz时最小为-91.43dBC/Hz,偏离中心频率1MHz时最小为-118.14dBC/Hz。
其中关键问题为电路模块的设计与改进。本次设计的压控振荡器由三个模块组成:CONTROL控制模块、VCO模块、整形电路模块。CONTROL模块将控制电压线性地转换为压控振荡器的尾电流,电路频率调节曲线的线性度主要取决于CONTROL模块的电流线性度;VCO模块为振荡器的主体部分,延时环节采用尾电流控制型的差分对结构,差分对型的结构可以有效提高电路的相位噪声抑制能力;VCO模块输出的振荡信号类似于正弦波,而且振荡幅度不能保持恒定,此类型的波形不能在实际中使用,整形电路电路便是将VCO输出的波形整形为可在实际中应用的占空比50%的矩形波。
3. 国内外研究现状(文献综述)
环形压控振荡器文献综述
1.前言
压控振荡器(voltage-controlledoscillator,VCO)是一种以电压输入来用来控制振荡频率的电子振荡电路,是现代无线电通信系统的重要组成部分课题。在当今集成电路向尺寸更小、频率更高、功耗更少、价格更低发展的趋势下,应用标准工艺设计生产高性能的压控振荡器已是射频集成电路中的一个重要课题。环形振荡器易于集成,可调频率范围大,但相位噪声不如性能不如LC振荡器。LC压控振荡器要求高品质因素的无源器件,需要片上电感和变容管器件才能集成。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。尤其在通信系统电路中,压控振荡器(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几乎与电流源和运放具有同等重要地位。
4. 研究方案
环形压控振荡器是通过改变延时单元的延时时间来实现频率的可调,目前有3种基本方法可改变延时时间:电阻调节法、尾电流调节法和插值法。
尾电流调节型结构与电阻调节型结构相比,对控制电压的调控范围并没有限制,因此尾电流调节型结构可以得到较宽的电压调节范围,控制方式也较为简单;与插值型的电路结构相比,尾电流调节型电路结构更为简单,插值型电路结构复杂,功耗也会更大,而且频率调谐范围相对较窄。基于对本文所设计振荡器的性能要求的考虑,采用尾电流调节型延时单元结构是一个不错的选择,因此,本文采用尾电流调节型电路并对其基本结构进一步地优化与改进。
5. 工作计划
2022.3.2-2022.3.13(第一周~第二周)论文翻译及开题,并在本阶段结束前提交一份翻译和开题报告。
2022.3.16-2022.3.27(第三周~第四周)查阅文献资料,学习带隙基准源的工作原理,并在本阶段结束前提交一份学习报告,对原理进行总结。
2022.3.30-2022.4.10(第五周~第六周)学习Cadence仿真软件,并在本阶段结束前提交一份学习报告。
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