论文总字数：26280字

摘 要

2.4G蓝牙无线传输技术是一种采用ISM（工业、材料和医学）频段的点对点短距离高速度的通信技术，可以广泛应用在日常生活与工业生产中。近些年来，通信事业发展迅速，市场对射频收发机的性能要求也越来越高。本振电路是射频收发机不可缺少的一部分，而压控振荡器(VCO)则是本振电路的关键模块。采用2.4GHz蓝牙无线传输技术的收发机，要求本振电路的输出频率能够覆盖较宽的频带，同时因为集成电路的特性，要求芯片面积小、功耗低。因此本文对中心频率为2.4GHz的低功耗款调谐范围LC VCO进行了研究。

论文的主要工作是基于0.18μm CMOS工艺设计了一个低功耗宽调谐范围LC VCO。论文首先介绍了2.4G蓝牙无线传输技术的优势及各种VCO结构。然后，整理出VCO的设计原理，并在此基础上设计出一种LC VCO。最后对仿真结果进行了整理与分析。本论文所设计的LC VCO为互补交叉耦合对管结构，采用四组开关电容阵列，将整个频带划分为5个子频带，实现了宽的调谐范围。同时，采用一种带有电阻的开关结构，提高了开关电容阵列的品质因数。另外还在NOMS源级均接入负反馈电阻，其可以改善l~2dB左右的相位噪声性能。

本论文设计了一个压控振荡器(VCO)，其将用于2.4G 低功耗蓝牙芯片里的频率合成器中，采用SMIC 0.18μm工艺，电源电压1.8V。频率输出范围为2.4-2.8GHz，工作电流为1.996mA，单端摆幅为969mV，相位噪声为-123.6dBc/Hz@1MHz。

关键字：压控振荡器，电感，可变电容，中心频率，相位噪声。

Abstract

The 2.4G Bluetooth wireless transmission technology is a point-to-point, short-range, high-speed communication technology that uses the ISM (industrial, material, and medical) frequency bands and can be widely used in everyday life and industrial production. In recent years, the communications industry has developed rapidly, and the market has become increasingly demanding on the performance of RF transceivers. The local oscillator circuit is an indispensable part of the RF transceiver, and the voltage controlled oscillator (VCO) is a key module of the local oscillator circuit. The transceiver using 2.4GHz Bluetooth wireless transmission technology requires the output frequency of the local oscillator circuit to cover a wide frequency band. At the same time, the characteristics of the integrated circuit require a small chip area and low power consumption. So this paper studies the low power tuning range LC VCO with a center frequency of 2.4GHz.

The main work of the dissertation is to design a low-power wide tuning range LC VCO based on 0.18μm CMOS process. The paper first introduced the advantages of 2.4G Bluetooth wireless transmission technology and various VCO structures. Then, the design principle of the VCO is sorted out and a LC VCO is designed based on this. Finally, the simulation results were collated and analyzed. The LC VCO designed in this paper is a complementary cross-coupled pair tube structure. Four groups of switched capacitor arrays are used to divide the entire frequency band into five sub-bands, achieving a wide tuning range. At the same time, using a switch structure with a resistor improves the quality factor of the switched capacitor array. In addition, the negative feedback resistor is also connected to the NOMS source stage, which can improve the phase noise performance of about l~2dB.

This paper designs a voltage-controlled oscillator (VCO) that will be used in a frequency synthesizer in a 2.4G low-power Bluetooth chip, using the SMIC 0.18μm process and 1.8V supply voltage. The frequency output range is 2.4-2.8GHz, the operating current is 1.996mA, the single-ended swing is 969mV, and the phase noise is -123.6dBc/Hz@1MHz.

Keywords: Voltage Controlled Oscillator, Inductor, Variable Capacitor, Center Frequency, Phase Noise.

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2选题的目的和意义 1

1.3 VCO的研究现状 2

1.3.1关于片上电感和可变电容 2

1.3.2关于噪声理论以及降噪技术 2

1.4常见LC压控振荡器结构 3

1.4.1单一NMOS交叉耦合对结构 3

1.4.2单一PMOS交叉耦合对结构 3

1.4.3 NMOS／PMOS互补型交叉耦合对结构 4

1.4.4三种交叉耦合对结构的比较、选择 5

1.5本论文的内容结构 5

第二章 LC振荡器的基本工作原理 6

2.1振荡器的简述 6

2.2反馈理论 6

2.2.1巴克豪森准则的介绍 7

2.2.2振荡器的平衡条件 7

2.2.3振荡器平衡状态的稳定条件 7

2.3负阻理论 8

2.3.1负阻振荡器的起振条件 8

2.3.2负阻振荡器的平衡条件 9

2.4一些常见的振荡器 10

2.4.1环形振荡器 10

2.4.2 LC振荡器 10

第三章 关于2.4G压控振荡器的设计方案 12

3.1VCO的基本原理以及性能参数 12

3.2VCO设计中的器件的选择 12

3.2.1电路结构的选择 14

3.2.2电感的选择 15

3.2.3开关变容管的选择 15

3.2.4固定电容的选择 17

3.2.5 MOS管的选择 17

3.2.6 源级负反馈电阻的设计 18

3.2.7尾电流源的选择 18

第四章 2.4GHz的LC压控振荡器仿真 20

4.1差分耦合对管的优化 20

4.2电感的优化 20

4.3压控振荡器振荡波形 21

4.4相位噪声的仿真曲线 24

4.5频率调谐曲线 27

4.6压控振荡器功耗分析 28

总结 32

参考文献 33

致谢 34

第一章 绪论

1.1研究背景

近些年来，通信事业发展迅速，市场对射频收发机的性能要求也越来越高。本振电路是射频收发机不可缺少的一部分，而压控振荡器(VCO)则是本振电路的关键模块。它的性能决定了接收机的灵敏度和选择性，特别是现在无线便携设备的发展，对接收机的尺寸、功耗和性能的要求都越来越高。

目前无线收发机的应用也越来越广泛，蓝牙(Bluetooth)、无线局域网(IEEE 802．11b/IEEE 802.11g)、ZigBee以及2．4GHz数字高速射频技术等。这些无线通信技术都是工作在2.4-2.5GHz频段，所以中心频率为2．4GHz的低功耗VCO的研究是必要的。

2．4GHz蓝牙传输技术对芯片设计提出了更高的要求：既要求多功能，又要求低成本和低功耗。为了实现这些目标，可以将收发机的射频前端电路和基带电路集成在一块芯片上。由于收发机中数字基带部分的面积占到芯片面积的3／4以上，而目前数字电路的实现是基于CMOS工艺的，所以要想实现单片集成，必须使用CMOS工艺对收发机的射频前端电路进行设计，目前，国外己经在这样的收发机的单片集成方面取得了很多成果，而国内对CMOS RFIC的研究还尚不成熟，因此对它的研究对我国集成电路的发展具有重要意义。2．4GHz ISM(工业、科学和医学)频段是各国共有的一个开放频段，并且目前有很多技术应用在这个频段。特别是现在，随着物联网的刚刚兴起，各个国家处于同一起跑线上。对这一频段的深入研究，有利于我国在关键领域实现技术的跨越式发展。

1.2选题目的、意义

随着无线通信技术的快速发展，人们更多地关注到射频和无线通信市场。 RF中的压控振荡器对于频率的产生源是必不可少的一部分。 由于锁相环（PLL）是射频前端时钟回复重要组成部分，同时也是产生电路的重要结构，因此PLL被广泛应用于无线通信系统。 然而，压控振荡器也被认为是PLL的重要组成部分，因此它被广泛应用于移动通信，卫星通信，基站，雷达，制导系统，军事通信系统，光发射机等系统中。 近年来，压控振荡器受到了学术界的广泛关注，同时学术界投入了大量的资源对其进行研究。

在无线收发器系统中，尤其是本实验研究的是蓝牙无线收发系统中，集成在射频芯片中的振荡器是被广泛关注的，我们研究的是使用电容电感谐振腔的压控振荡器，其集成在片上，可以通过电压控制频率的调谐。在研究这种压控振荡器的时候，我们需要着重考虑的是压控振荡器的中心频率，如任务书要求，本文研究的是2.4GHz压控振荡器，中心频率就要控制在2.4GHz附近。还要注意的是需要低功耗。我们在设计时就需要控制电路中工作电流不宜过大，否则易引起功耗过大。同时，要注意有较宽的调谐范围、较低的相位噪声。在试验中，实现的电压控制振荡器主要通过使用具有大电容比的累积型MOS可变电容管。这一选择是目前综合低功耗、高性能等特性的最好选择。然而，随着用户需求的逐步提高，我们需要开发出更低功耗、高性能的片上电路，这将是一个挑战。

1.3 VCO研究现状

1.3.1国内外研究现状

蓝牙(Bluetooth)也是一种短距离无线传输技术．它的通讯距离较短．约为l0米．支持一对多的语音通讯和文件的传输。蓝牙电子秤就是一种运用蓝牙技术的设备，可以将秤所称得的体重等身体指标通过蓝牙无线传输到手机上，十分方便。

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