杭州电子科技大学 硕士学位论文 基于CMOS工艺压控振荡器和低噪声放大器研究 姓名：傅开红 申请学位级别：硕士 专业：电路与系统 指导教师：程知群 20091201 杭州电子科技大学硕士学位论文 V 摘 要 近年来随着无线通信系统的迅猛发展和 CMOS 工艺的不断进步，对 CMOS 无线射频收发机 要求越来越高。低成本、小型化、宽频带、低噪声、更高的工作频段是未来射频收发机设计 所要努力的方向。 射频压控振荡器和放大器都是无线通信收发机中非常重要的单元电路。由于 CMOS 工艺 电感对设计 LNA、VCO 等射频单元电路非常关键。本文专门介绍了 CMOS 电感模型。 本文介绍了射频压控振荡器和放大器的基本理论和结构并对各种结构的优缺点进行的阐 述。压控振荡器作为频率综合器的关键组成部分，对频率综合器的频率覆盖范围、相位噪声、 功耗等重要性能都有直接影响， 文章经过对 VCO 性能参数的分析， 介绍了一些压控振荡器性 能优化方法，如宽调谐范围的实现方法、调谐增益降低技术及调谐增益的稳定方法。通过比 较已有的性能参数优化方法，本文首先设计了宽带 LC VCO，采用了开关电容阵列实现宽调 谐范围，同时降低了调谐增益，采用开关可变电容阵列稳定调谐增益。接着，实现了应用于 RFID 系统的低功耗环形 VCO 设计，采用三级反相器级联结构，功耗仅为 1mW。 低噪声放大器作为无线接收机的第一级电路，其性能的好坏直接影响整个接收系统的性 能。增益可调放大器可以稳定输出和最大化接收机的动态范围，可以灵活地应用于无线收发 系统中，文章首先通过分析放大器各种常用的基本结构的优缺点，如：cascode 电路结构， 利用滤波器匹配方法实现放大器的宽带匹配，然后在总结已有的增益可调的方法基础上，本 文设计了一种宽带增益连续可调低噪声放大器，通过对两级放大电路中第二级电路的电流控 制，实现了增益宽带连续可调；同时利用多栅原理改善了电路线性度，使电路达到良好的性 能。 关键词：CMOS；宽带；调谐增益；压控振荡器；增益可调；低噪声放大器 杭州电子科技大学硕士学位论文 VI ABSTRACT In recent years, the research and development of wireless radio frequency transceiver system is promoted by the rapid development of the wireless communication system and the constant advancement of modern CMOS technology. And the low cost、small size、 wideband and high frequency is the final goal need to be achieved in future for the design of the wireless radio frequency transceiver system, The RF amplifier and VCO are the key circuits for wideband wireless communication tranceiver. Because the inductor for CMOS process is very important to the design of cell module， such as LNA and VCO. The inductors modeling is introduced specially. The fundamental theory and structure of the VCO and amplifier are introduced in this thesis, and their merits and demerits are analyzed. As an important part of the synthesizer, VCO directly influence the performances of synthesizer such as tuning frequency range, phase noise, power consumption and so on. After analyzing the performance parameters of VCO the thesis introduces some methods of VCO performance optimization, such as the realization of wideband tuning range, the technology of reducing tuning gain and methed of making VCO gain stable. By comparing all kinds of methods of VCO gain optimization, Firstly, the thesis proposes a wideband LC VCO. The switched capacitor array is adopted to extend tuning range and reduce tuning gain of VCO and the switched varactor array is used to make the VCO gain stable. Then, the ring voltage- controlled oscillator with low power is designed for the application to RFID system, and it uses the structure of three stages inverters with the power consumption of 1mW. As the first stage of receiver, LNA directly influences the performances of the transceiver system. The variable gain low noise amplifier can prevent instability of the receiver, and maximize the receiver dynamic range, which has widely application in wireless transceiver system. By analysing the advantages and disadvantages of the all kinds of structures of amplifiers, such as cascode topology structure, wideband match structure with filter. This thesis proposes the variable gain wideband LNA based on summarizing the technology of gain control. The purpose of gain control is achieved by controlling current of the second stage in two stages circuits; meanwhile, multiple- gated transistors (MGTR) is adopted in this circuit in order to get high linearity. Keywords: CMOS；wideband；tuning gain；VCO；variable gain；LNA 杭州电子科技大学硕士学位论文 IV 杭州电子科技大学杭州电子科技大学 学位论文原创性声明和使用授权说明学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文使用授权说明学位论文使用授权说明 本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或 使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件， 允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其 它复制手段保存论文。 （保密论文在解密后遵守此规定） 论文作者签名： 日期： 年 月 日 指导教师签名： 日期： 年 月 日 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 第 1 章 绪论 1.1 研究目的和意义 近年来随着无线通信系统的迅猛发展和 CMOS 工艺的不断进步1，对 CMOS 无线射频收发 机要求越来越高。低成本、小型化、宽频带、低噪声、更高的工作频段是未来射频收发机设 计所要努力的方向。其中高频、宽带通讯是一个重要的发展方向。 首先，随着电子对抗技术的不断发展，电子侦察迫切需要高性能的如跳频通信、宽带干 扰机等电子设备，以满足未来电子对抗的需要。其次，在通信、电视转播、图像传输等领域 的射频接收机的性能已经满足不了宽频带、高流量的要求，技术升级势在必行。第三，数码 时代的不断进步，一机多用的趋势越来越明显。这就要求移动通信设备能接收到多频段的信 号。虽然可以采用多个窄带射频收发机并联的方式实现上述应用，但成本也就相应的增加了。 而宽带射频接收机可以容易地实现上述功能，同时不增加成本，具有很高的性价比。 可见，宽带通讯确实是当今无线通讯技术的一个重要研究热点，具有明显应用前景。 CMOS 射频压控振荡器(VCO，Voltage Controlled Oscillator)作为锁相环、频率综合器和时 钟恢复等电路的关键模块，其性能指标（相位噪声、振幅、调谐增益）对电子系统的性能有 着决定性的影响，是 RF 电路设计与集成的一个难点2。因此，探究在宽带下低相位噪声振荡 器是一个很重要课题。 低噪声放大器作为射频接收机的第一级， 其性能的好坏直接影响了整个接收系统的性能。 在宽带接收机中，宽带低噪声放大器必须向下一级电路(混频器)输出适当的信号。信号过小， 混频器可能无法检测到；信号过大可能又会对混频器造成过载失真。而由于天线下来的信号 是时强时弱的,那么，低噪声放大器的增益可调设计就显得尤为重要，增益可调 LNA 能适用实 际应用中的多种需要，具有很好的灵活性。所以对增益可调宽带 LNA 研究具有非常重要的意 义。 1.2 国内外研究现状和发展趋势 近年来，为了满足不同频段、不同系统下射频集成电路高性价比的要求，出现了相适应 的不同的射频集成电路制作工艺。目前常见的有硅双极、CMOS、Si 或 SiGe BiCMOS 及 GaAs 等等3。 砷化镓的高频特性非常好，又有很高的隔离度和极低的损耗，适合射频功率放大器的制 作4。缺点是成本高，与模拟电路、数字电路不能兼容。GaN 的电子饱和速度非常高，所以 很适合制作工作于高速、高温射频电路单元5。用硅双极工艺实现的电路速度快和精度高。 但是牺牲功耗为代价的，而且与数字电路不兼容，只能单一的射频模块