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1、华中科技大学 硕士学位论文 一种用于锁相环的压控振荡器的设计 姓名：沈乐丰 申请学位级别：硕士 专业：微电子与固体电子学 指导教师：刘三清 20050429 I 摘 要 随着现代通讯技术的发展 电子设备对压控振 荡器的要求越来越高 传统的压控 振荡器功耗高 稳定性差 频率范围窄并且难以集成 本论文采用 CMOS 工艺 设计 了一个高稳定性 宽频 带范围的单片集成的压控振荡器 它能很好的应用于锁相环电 路中 满足通讯设备的使用需要 本振荡器采用恒流充放电多谐振荡的电路结构 整个电路由带隙基准 源模块 电 流源模块 控制电压输 入模块和流控振荡器模块四个部分组成 其中带隙基准源模块 利用带隙技术设
2、计产生了一个接近零温漂高稳定的基准电压 流控振荡器模块通过对 传统的射极耦合振荡结构进行改进而得到 电 路采用全对称的电路形式 大大减少了 各种噪声对电路性能的影响 通过重点对这两 个模块的优化设计 我们使得输出的振 荡频率不再直接依赖于某一个器件的参数 而是让器件单个参数的影响作用能相互抵 消 最后的频率只体现 了器件的比值关系 这就从根本防止了因为器件参数的温度系 数引起输出频率的漂移 从而使得压控振荡器具有相当好的温度稳定性 本芯片基于 1.2um CMOS 2P2M C12DDR 工艺进 行设计 在该振荡器的设计过程中 我们利用Cadence 公司的仿真工具 Analog Artist
3、 对电路进行了分析仿真 而对仿真 的结果分析表明 本文论述的压控振荡器能够达到设计的要求 关键词 关键词 关键词 关键词 振荡器 带隙基准 温漂 电源抑制比 噪声 II ABSTRACT With the development of modern communication technology, more and more requires in electronic equipment are brought to voltage controlled oscillator. In classic vco , it has high consume, poor frequency sta
4、bility, narrow frequency range and it is hard to integrate. This article is concerning a monilithic integrated vco circuit which has high frequency stability and wide frequency range. It can be applied in lock loop circuit and meets needs of communication equipment. This oscillator is a constant-cur
5、rent relaxation oscillated component. The circuit is composed of four parts: band gap module, current source module, control-voltage-input module and current control oscillator module. A zero temperature coefficient voltage reference is achieved in band gap module. The current controlled oscillator
6、is an improved structure based on emitter coupled relaxation voltage controlled oscillator. The circuit is symmetric configuration, and this helps to decrease noise effect. With particular emphasis on this two module optimized, the output frequency of oscillator is not depended on device parameter.
7、This helps to minimize the effect of temperature drift in frequency. Independence output frequency make the vco steady. This design is based on 1.2um CMOS C12DDR process. By using the EDA tools Analog Artist of Cadence Design Systems Inc., the vco circuit was analyzed and simulated. The simulation r
8、esults show that the vco described in the thesis can achieve the main required characteristics . Keywords: Oscillator Bandgap Temperature drift PSRR N oise I 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得 的研究 成 果 近我所知 除文 中已标明 引用的 内 容外 本 论文不 包含任何 其他人 或 集体已经 发表或 撰 写过的研 究成果 对 本文的研 究做出 贡献的个 人和集 体 均已在 文中以 明 确方
9、式标 明 本人 完全意识 到本声 明 的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 沈乐丰 日期 2005 年 5 月 11 日 学位论文版权使用授权书 本学位论 文作者 完 全了解学 校有关 保 留 使用学位论 文 的规定 即 学校有权 保留并 向 国家有关 部门或 机 构送交论 文的复 印 件和电子 版 允许 论文被查 阅和借 阅 本人授权 华中科 技 大学可以 将本学 位 论文的全 部或部 分内容编 入有关 数 据库进行 检索 可 以采用影 印 缩印 或扫描等 复制手 段 保存和汇编本学位论文 保密 在_ 年解密后适用本授权数 本论文属于 不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名 沈乐丰 指
10、导教师签名 刘三清 日期 2005 年 5 月 11 日 日期 2004 年 5 月 11 日 1 1 绪 论 振荡器 一般作 为信 号源 在电子 系统中 应用 应 用时常 常要求 振荡 器产 生的信 号频 率是可调的 即输出的 振荡频率是输入的控制信号的线性函数 其中输入控制信号常 常为电压 信号 我 们把 这一重要 类型的振 荡器 称为压控 振荡器 VCO 压控 振荡器 VCO 作为信号产生 源的关键部件应用十分广泛 在程控交换机 移动终端 卫星 通信 导弹制导系统 数字无线通信 光学多工器 光发射机和其他电子系统中 压 控振荡器都占有重要地位 12随着通 讯工业 的迅 速发 展特别 是无
11、线 通讯 技术 的兴起 电子 系统 延续 了小型 化 高性能 低成本的发展 趋势 这些发展需求推动了压控振荡器设计要不断突破今天在 各方面所受限制 设计 出新的压控振荡器来 各设计单位对压控振荡器的设计和研究 一直以来都很活跃 在性能上 设计出高振荡频率 宽频率范围 低温度漂移 低相 位噪声的振荡器一直是设计者的目标 电路形式上 为了满足小型化的要求 单片集 成的压控振荡器成为主流 在很多移动设备中 压控振荡器已经和系统的其他部分集 成在一起了 工艺选择上 从七十年代以来 由于对MOS 管基本理论和制造工艺的深 入研究 加上电路设计技术和工艺技术的不断进步 MOS 集成电路得到了迅速的发展 其
12、中CMOS 工艺因为它的高集成度 低功耗 低成本等特点已成为集 成电路的主流工 艺 据统计2003 年 CMOS集成电路占据85% 以上的份额 因此 本文 将基于CMOS 工 艺的单片集成高性能压控振荡器作为研究对象 具有一定的先进性和实用性 1.1 课题的来源 本课题 所设计 的压 控振 荡器是 为某通 讯公 司需 要而进 行的全 定制 设计 它将 替代 相应的进口芯片 在其设备中大规模使用 因此需求量很大 应用很广阔 在使用时 此芯片是在锁相环电路中 做为锁相回路的一 个重要组成单元而出现 锁相环路是一 个实现两个电性号相位同步的自动控制系统 当锁相环的输入信号和环路的输出信号 之间存在相
13、位差时 在 锁相环控制机构的控制作用下 可以使振荡器输出信号和输入 2 信号之间的相位差减至最小 最简单的锁相环方框图如下所示 图1-1 锁相环 系统方 框图 u2 (t) u 1 (t) ud (t) 鉴相 器 环路 滤波器 压控 振荡器 uc (t)锁相环有三个基本部件 压控振荡器 VCO , 鉴相器 PD 和环路滤 波器 鉴相 器是相位比较 装置 有 时也叫做相位 比较器或 相敏检波器 它把输出 信号u 2 (t) 和参考 信号u 1 (t) 的相位进行比较 产生对应于两信号相位差 e 的误差电压u d (t) 环路滤波器 的作用是滤除 误差电压u d (t) 中的高频成分和 噪 声 以
14、保证环 路所要求 的性能 增加系 统的稳定 性 压 控振荡 器受控制 电压u c (t) 的控 制 使压 控振荡 器的频 率向参考 信号的 频率接近 也就是使差拍频率越来越低 直至消除频率差而锁定 34锁相技 术的最 大作 用是 稳频和 同步 交换 机作 为比较 大的通 信系 统 有多处 要用 锁相环进行数据时钟的稳频和同步 交换机在与外部进行通讯时 由于干扰和噪声 发出或 接收到的数据的周期经常会随机地发生变化 一般称这种周期的变化为抖动; 这种时钟的抖动是数字系统所不希望的 因为 它可能会造成电路的误动作 从而导致 系统功能失效 为了减 小由于信号间的干扰和电源噪声引起的时钟抖动 可以用锁
15、相 环来进行数据再生 在 内部数据传输时由于要驱动负载和互联线的电容 需要在时钟 线上插入驱动级 然而驱动级会产生一定的延时 引起内外时钟的不一致. 如果把这个 延时当作一个相位转换 电路中加上锁相环 可以消除这个延时 作为锁 相环中 的压 控振 荡器 设计要 考虑 与系 统整体 相配合 的性 能参 数 中心 频 率 频率变化范围 频率的稳定度 相位噪声 压控的线性度等等 为了满足通讯所 提的技术要求, 本课题将用CMOS 电路构建一个高性能多谐压控振荡器 在这个电路 中 振荡器可以在很宽的频率范围内线性的工作 较低的相位噪声 较低的电源抑制 比和较好的温度稳定性 3 1.2 压控振荡器的发展
16、状况 压控振 荡器的 发展 和其 他电子 产品的 发展 一样 经历了 电子管 晶体 管 单片 集成 之路 上世纪初 Armstrong 首先发明 了电子 管振荡器 经Hartley 改 进电路设计制造 出了以 他自己名字命名拓扑结构的振荡器电路 并用电子管实现了第一个压控振荡 器 在他制造的振荡电路中 他将电子管作为放大器使用 并用电感反馈产生了一个 再生振荡 振荡器的频 率是由线圈电感和电路电容决定的 振荡频率调节是通过改变 振荡电路中电感器或电容器的参数值来进行的 Hartley 振荡器电路很 快在发射机中普 及起来并在第一次世界大战中得到大范围应用 同时代有很多其他科学家也对电子管 振荡电路开展了大量的研究 今天仍在沿用的Hartley Colpitts Clapp Armstrong Pierce 等经典振荡电路结构 就是当时的研究成果 5到了四十年代末 第一 个双极型晶体管在贝尔实验室诞生 晶体管很快取代电子
