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全数控CMOS LC振荡器的研究与设计

王少华  
【摘要】: 随着当前的集成电路设计进入深亚微米和片上集成系统(SoC)阶段,传统的射频电路设计正在面临越来越大的困难,数字射频是解决这一问题的新思路。最近几年才开始出现的全数控LC振荡器(DCO),正是将数字射频思想应用于射频电路设计的典型代表。本论文针对应用于CMOS无线通信收发机的新型全数控LC振荡器,完成了以下工作: 分析了DCO所使用的普通数控MOS变容管中所存在的非理想特性,提出了使用反型数控MOS变容管改善这一非理想特性的方法,该方法可以将DCO中的相位噪声最多降低9.5dB。 对DCO大信号工作时所引起的数控MOS变容管的非线性以及这种非线性对DCO性能的影响进行了分析,提出了改善这种非线性的背靠背串联数控MOS变容管的新结构,可以使DCO的相位噪声最多降低8.1dB。 提出了在DCO中将数字Sigma-Delta调制器(SDM)与模拟部分联合仿真的方法,解决了常用EDA软件不能直接仿真DCO频谱特性的问题。 将低杂散的流水线MASH SDM应用于DCO中,相比于传统MASH SDM,在流水线方式下,可以将DCO输出信号中的杂散降低25dB以上。 提出了将三阶前馈结构SDM应用于DCO的新方案,从而可以得到比应用MASH SDM的DCO降低6dB的相位噪声以及降低20dB的杂散。 提出了一种新颖的互补型数控MOS变容管对,可在无需使用最先进的CMOS工艺的前提下,得到精度高于最小工艺尺寸MOS变容管的有效变容值,从而可以使DCO的调频精度提高6倍,同时降低了量化噪声。 针对PHS通信系统,综合采用了反型数控MOS变容管、流水线MASH SDM、动态元素匹配等多项电路技术,设计并实现了一个高性能低功耗的DCO。测试表明,该DCO能够满足PHS收发机的要求,并且与国际上DCO设计的最新水平相比,仍然在相位噪声与功耗方面具有较高的优势。 本论文的工作为今后基于DCO的全数字锁相环,以及全数字单片无线通信收发机的研究与设计打下了基础。


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