近几年无线通信系统的蓬勃发展推动了低成本、低功耗CMOS无线收发机的研究与开发。CMOS工艺技术的不断进步,无源器件(片上电感和电容)在片上实现技术的日趋成熟,使得无线收发机系统中大部分单元电路,如低噪声放大器(LNA)、混频器(Mixer)、本地振荡器(Local Oscillator)以及中频滤波器(IF Fiiter)等都能够单片实现。压控振荡器作为无线收发机的重要模块,它不仅为收发机提供稳定的本振信号,还可以倍频产生整个电路所需的时钟信号。它的相位噪声、调节范围、调节灵敏度对无线收发机的性能有很大影响。无线通信技术的蓬勃发展,对无线收发机的性能要求越来越高,因而如何设计一个高性能的压控振荡器已成为模拟集成电路设计的一个重大挑战。 本文系统论述了CMOS工艺的电感电容结构压控振荡器的理论和实现,并且深入浅出的研究和讨论了压控振荡器设计过程中的许多关键技术。 文章首先介绍了振荡器的两种基本理论:负反馈理论和负阻振荡理论。分别从起振、平衡、稳定三个方面讨论了振荡器工作所要满足的条件,并对这些条件以公式的形式加以描述。同时列举了几种常见的振荡器,给出了它们的电路结构,并对它们特性做出了分析和比较。 接着介绍了两种类型的压控振荡器:环形振荡器和LC振荡器。对这两种振荡器的结构、噪声性能和电源的敏感性方面做出了分析和比较,通过分析可以看出LC压控振荡器更加适合于应用在射频领域。紧接着介绍了CMOS工艺可变电容和电感的物理模型,讨论了变容管的几个关键参数和压控振荡器性能的关系,并对平面螺旋电感各个寄生参数进行了计算。 其次介绍了压控振荡器的相位噪声,指出了振荡器噪声的来源于电路中各种有源和无源器件的热噪声(thermal noise)、MOS场效应管的闪烁噪声(flicker noise)和电源和衬底的噪声(supply and substrate noise),并对这几种噪声进行了介绍。相位噪声理论可分为两种:线性时不变模型和线性时变模型。本文分别对这两种理论进行了分析和概括,合理解释了相位噪声在不同区域的成因。通过理论上的分析得到降低相位噪声的几种方法: