应用于直接变频发射机的VCO设计

作     者：蓝德发 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨军;王镇

授予年度：2021年

学科分类：0810[工学-信息与通信工程] 08[工学] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：压控振荡器 低电压 电容分压器 二分频 自适应频率校准 

摘      要：传统发射机主要包括直接上变频和超外差结构,频率综合器在其中都是作为稳定的频率源为系统提供本振。而直接变频发射机基于锁相环频率综合器环路,相较于传统结构,其在功耗和系统复杂度方面具有优势,压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator,VCO）作为频率综合器中设计难度最高的模块之一,其功耗占比最大,这要求压控振荡器在低功耗的同时具有足够低的相位噪声。本文以直接变频发射机为研究背景,设计了一种能够工作在低电压下的低功耗压控振荡器。在对压控振荡器的原理以及相位噪声产生机制深入研究的基础上,对传统的C类振荡器进行了一定的改进,引入了电容分压器在输出摆幅较大的情况下也能够保持交叉耦合对管处于饱和区。另外,将传统结构中的尾电流晶体管替换成电阻,避免了沟道长度调制效应对电流失配的影响,利用运放对电阻进行钳位以定义振荡器的偏置电流。此方法无需额外的参考电压,运放的输出端反馈到交叉耦合对管的栅极形成负反馈环路,当振荡器振荡稳定之后能够动态调节交叉耦合对管栅极的偏置电压。同时,本文提出了一种适用于高频率的二分频电路,相较于传统结构具有较低的功耗。此外,还设计了一种能够快速选择合适子频带的自适应频率校准（Automatic Frequency Calibration,AFC）模块。本文基于TSMC28nm CMOS工艺完成了电路的原理图设计和前仿真以及版图的设计和后仿真。仿真结果表明,在电源电压为0.8V的条件下,振荡器在所有工艺角下都能够覆盖2.4～2.485GHz的目标频率范围,在功耗小于1m W的情况下相位噪声低于-120d Bc/Hz@1MHz。最后对AFC模块进行了行为级仿真验证,其搜索时间能够小于10s。