国防科学技术大学 硕士学位论文 基于0.18μmCMOS工艺0.2GHz-3.26GHz交叉前馈结构VCO设计 姓名：王志鹏 申请学位级别：硕士 专业：电子科学与技术 指导教师：陈怒兴 2011-04 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 第 i 页 摘 要 压控振荡器(Voltage-Controlled Oscillator, VCO)作为锁相环(Phase-Locked Loop, PLL)、时钟数据恢复(Clock and Data Recovery, CDR)等电路的关键部件，被 广泛应用于时钟源、高速串行通信的 Serdes 等场合在采用 CMOS 工艺的传统设 计中，几个 GHz 的 VCO 通常采用 LC 结构，提高了对制造工艺的要求，同时大大 增加了芯片面积，使得芯片成本大幅提高，因此，研究 CMOS 数字工艺下新型结 构的高频 VCO 具有十分重要的意义 本文基于 0.18µm CMOS 数字工艺，设计实现了一款高频、宽调节范围、高线 性度的交叉前馈结构环形压控振荡器，主要研究成果包括以下几个方面： 1、本文首先对环形振荡器的工作原理及基本结构进行了简要介绍与分析，并 结合压控振荡器的数学模型及主要性能参数，对环形压控振荡器的调节范围、频 率、线性度以及相位噪声做了简要的研究。
2、根据 VCO 设计指标的要求，设计了一款交叉前馈结构环形振荡器电路 该结构克服了基于 LC 结构高频 VCO 的面积大，工艺要求高等缺点，大大减少了 芯片面积，有效降低了成本，并具有高频、宽调谐范围、高线性等特点 3、深入研究了交叉前馈结构 VCO 的频率特性，结合 VCO 的频率表达式对该 结构 VCO 主环级数和快速环级数可配置的特性，传输门对振荡频率的影响，线性 度以及起振电压问题进行了深入的理论分析与仿真验证，确定了最符合设计要求 的电路结构及电路参数 4、在版图设计中，结合高性能模拟电路版图设计技术，合理设计了 VCO 各 个模块的布局与走线，既节省了面积，又减小了寄生效应对 VCO 性能的影响 5、在 0.18µm CMOS 数字工艺下实现了交叉前馈结构环形压控振荡器版图 模拟结果显示，该 VCO 的中心频率为 1.92GHz，调谐范围为 200MHz～3.26GHz， 频率在 3.125GHz 处， 频偏 1MHz 的相位噪声为－95.1dBc/Hz， 最大功耗约为 8mW， 满足 VCO 的设计要求 关键词：CMOS；压控振荡器；交叉前馈 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 第 ii 页 ABSTRACT As a key component of Phase-locked loop, Clock and Data Recovery, VCO is widely used in many fields such as clock generator, Serdes for high speed serial communication .etc. In traditional CMOS technique, multi-gigahertz VCO applied LC tank structure which require more strict with manufacturing process, simultaneously, the die size of LC tank increases substantially. Thus, the cost of chip is raised dramtically.Therefore, it’s very important to study the novel high frequency VCO in CMOS logic technology. In this paper, a high frequency, wide range and high linearity interleaved feedforward ring type VCO based on 0.18μm CMOS logic technology is proposed, the main contents as following: 1. In this paper, it briefly introduces the basic principle and structure of ring type VCO, in addition, it also makes a research on its adjustable frequency range, working frequency, linearity and phase noise which combined with the mathematical model and the main performance parameters of the VCO. 2. According to the performance requirements of VCO, an interleaved feedforward structure of ring type VCO is put forward, the structure can overcome such disadvantages as extensive area and accurate technique of high frequency VCO based on LC tank structure, which reduces chip size extensively, and cut down the cost effectively. What’s more, it has such feature as a high working frequency, wide range and high linearity performance. 3. It goes deep into the frequency characteristic of Interleaved Feedforward VCO. It penetrates into the problems, including the configurable features of the main loop and the fast loop, the impact of transmision gate on the oscillation frequency, as well as linearity and the initial voltage issues, through the VCO’s frequency equation, for instance, those aspects are simulated and verified, and finally come up with the most suitable circuit structure and parameters. 4. The layout of the proposed VCO has been done, and layout art for high performance analog circuit such as matching, guard ring has been applied. Consequently, the area is not only saved, the parasitic effect on the performance of VCO is but also reduced. 5. The interleaved feedforward VCO has been implemented in 0.18μm CMOS logic technology. The post layout simulation results show that the center frequency of the VCO is 1.92GHz, the range of frequency is 200MHz～3.26GHz, the measured phase noise is -95.1dBc/Hz from a 3.125GHz frequency, the maximum power consumption is 8mW, which can meet the performance requirements of VCO design predefined. 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 第 iii 页 Key Words：CMOS, VCO, Interleaved Feedforward 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 第 III 页 表 目 录 表 3.1 环形压控振荡器设计指标 21 表 4.1 主环路级数不同下的主要参数 33 表 4.2 主环路级数不同下振荡频率 33 表 4.3 快慢子环路的组合方式 35 表 4.4 子环路级数不同下的振荡频率 35 表 4.5 传输门宽长比不同下的振荡频率 37 表 4.6 交叉前馈结构各项参数值 44 表 5.1 十二级交叉前馈电路性能总结 59 表 5.2 十二级交叉前馈 VCO TT、FF、SS 工艺性能总结. 60 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 第 IV 页 图 目 录 图 2.1 单位增益反馈系统 6 图 2.2 振荡的反馈系统的各种样式 7 图 2.3 双极点反馈系统 8 图 2.4 三级环形振荡器 8 图 2.5 奇数级单端环形振荡器 8 图 2.6 三级环形振荡器线性模型 9 图 2.7 三级环形振荡器不同增益值时的极点 10 图 2.8 典型单端环形振荡器延迟单元 11 图 2.9 偶数级差分环形振荡器 11 图 2.10 负载电阻控制型差分延迟单元 12 图 2.11 尾电流控制型差分延迟单元 12 图 2.12 压控振荡器模型 13 图 2.13 相位噪声示意图 14 图 2.14 时钟抖动示意图 14 图 2.15 三级传输门变阻环形振荡器 15 图 2.16 延迟单元等效模型 15 图 2.17 双环路 VCO. 17 图 2.18 五级快慢插值型环形振荡器 17 图 2.19 非线性的 VCO 特性 18 图 2.20 插入线性电阻调节的 N 级环形差分 VCO 18 图 2.21 交叉耦合环形振荡器 20 图 3.1 典型单端环形压控振荡器结构 22 图 3.2 五级单端环形振荡器充/放电时刻示意图. 22 图 3.3 双奇数环 VCO. 23 图 3.4 高低电平在传输门中的传递过程 23 图 3.5 环形振荡器前馈通路拓扑结构 24 图 3.6 环形振荡器反馈通路拓扑结构 24 图 3.7 八级交叉前馈 VCO. 25 图 3.8 影响一对串联反相器动态特性的寄生电容 26 图 3.9 延迟单元节点电压充电过程示意图 26 图 3.10 单环前馈结构中的信号通路 27 图 3.11 反相延迟单元信号翻转示意图 27 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 第 V 页 图 3.12 C 节点电流流向示意图 28 图 4.1 交叉前馈 VCO 的八级环形结构示意图 29 图 4.2 交叉前馈 VCO 等效电路图 30 图 4.3 VCO 基本单元等效电路模型. 30 图 4.4 级数 N 不同 i 相同 VCO 的振荡频率波形 34 图 4.5 i 等于 3、5、7 时 VCO 的输出频率波形 36 图 4.6 传输门不同宽长比 VCO 频率输出波形 37 图 4.7 传输门不同宽长比的振荡频率 38 图 4.8 N=8 i=3 时“电压—频率”。