基于CMOS的宽带低能耗低相位噪声压控振荡器设计

简介：
本研究提出了一种基于CMOS技术的宽带、低功耗和低相位噪声压控振荡器的设计方案，适用于无线通信系统中的频率合成器。 本段落设计的压控振荡器（Voltage-Controlled Oscillator, VCO）是一种具备宽频带、低功耗及低相位噪声特性的器件，并特别针对数字广播接收器（DRMDAB 接收机）的需求进行了优化。 1. CMOS 压控振荡器的基础知识： CMOS 工艺因其优异的噪声特性以及较低的能耗，在现代集成电路设计中得到广泛应用。在 VCO 设计中，CMOS 技术能够实现高集成度和相对低成本的设计方案。本段落中的压控振荡器工作频率范围设定为2.5GHz到3.1GHz之间，以适应 DRMDAB 接收机的频率需求。 2. 差分 LC 振荡器及其在 VCO 中的应用： 差分 LC 振荡器利用电感（L）和电容（C）元件的谐振特性产生差动输出。本段落设计采用互补型差分耦合压控振荡器结构，结合了 NMOS 和 PMOS 晶体管的优点，在相同的偏置电流与器件尺寸条件下提供更高的负阻值，并有助于降低相位噪声。 3. 相位噪声和功耗的优化： 在 VCO 设计中，相位噪声是衡量信号纯净度的重要指标之一。同时，对于便携式或电池供电设备而言，电路设计需要考虑低能耗问题。为了减少尾电流并提高可变电容的工作效率以降低相位噪声，本段落提出了一种改进的电路结构，并采用积累型 MOS 可变电容器作为频率调节的关键组件。 4. 积累型 MOS 可变电容： 在 VCO 设计中使用的积累型 MOS 可变电容能够根据控制电压的变化调整其电容量值，进而改变振荡器的工作频率。这类可调谐元件需要偏置电路来操作，并且必须确保这些额外的电路不会影响整个系统的稳定性。 5. 开关电容阵列（SCA）： 开关电容阵列用于在不显著增加压控增益的情况下实现精细和粗略调节功能，通过使用不同的控制字改变电容器件配置以精确调整谐振腔中的总电容量值，从而间接影响工作频率。 6. 缓冲电路的设计： 为了增强输出信号驱动能力和隔离后级干扰，本段落设计了一种具有高隔离度的缓冲器。该缓冲器通常由反相放大器和推挽式功率放大器组成，有助于提高整个系统的稳定性和抗扰能力。 7. 工业应用与标准： 文中提及DRM 和 DAB 代表全球数字广播系统以及欧洲 Eureka-147 项目中的部分组件，它们分别是 DRMDAB 接收机中采用的标准。VCO 在这种应用场景下通常位于锁相环（PLL）的环路部分，并作为频率源发挥作用。 8. 仿真结果分析： 文中通过仿真实验验证了 VCO 设计的有效性。结果显示，在特定的工作电流条件下，设计实现了一定范围内的宽频带调谐性能以及在1MHz偏移时达到-118dBcHz到-122dBcHz的相位噪声水平。这些结果表明该VCO 符合 DRMDAB 接收机等应用的需求。 综上所述，本段落设计不仅满足了DRMDAB接收机的基本参数要求，在电路设计、工艺选择及性能优化方面也提供了深入的研究和创新解决方案。