基于交叉耦合的低相位噪声LC压控振荡器研究与设计

作     者：王立姣 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：姚若河;刘伟俭

授予年度：2020年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：压控振荡器 低相位噪声 线性化技术 负反馈 Groszkowski效应 

摘      要：压控振荡器(VCO)广泛应用于锁相环、高速时钟等电路系统当中。相对于其他压控振荡器结构,LC压控振荡器具有输出信号相位噪声更低的优点,所以它得到了更为广泛的应用。为实现低相位噪声VCO,本文从振荡器电路非线性恶化相位噪声的问题上展开研究,并根据研究提出了振荡器改进结构。本文通过Groszkowski效应将振荡器电路的非线性与相位噪声联系起来,量化了振荡器中电压谐波含量变化引起的闪烁噪声上变频。通过计算振荡器输出电压总谐波失真(THD)量化了振荡器电路的非线性,分析了非线性对振荡器1/f区域相位噪声的影响。并且根据分析结果,提出了一种减小交叉耦合管非线性的方法:通过减小交叉耦合管的宽度W来减小交叉耦合管非线性,从而降低由Groszkowski效应引起的振荡器1/f区域相位噪声。基于对LC振荡器电路非线性的研究,本文提出了基于负反馈的晶体管线性化技术,设计了一种基于交叉耦合管线性化技术的低相位噪声LC-VCO。该LC-VCO在经典差分LC-VCO拓扑结构基础上增加了自启动开关系统,并引入了基于负反馈的交叉耦合管线性化技术。自启动开关系统能保证该LC-VCO启动速度与经典差分LC-VCO相同。基于负反馈的交叉耦合管线性化技术降低了Groszkowski效应引起的1/f区域相位噪声,增大了振荡器输出幅度,降低了1/f区域相位噪声。在Cadence Virtuoso软件中采用TSMC 0.18-μm工艺仿真验证,结果表明:本文提出的LC-VCO振荡频率范围为1.98～2.14GHz。在振荡频率为2GHz时,10k Hz和1MHz频偏处的相位噪声为-75.9dBc/Hz和-121.5dBc/Hz,比经典差分LC-VCO分别降低了6.0dB和1.6dB。