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压控振荡器(Voltage Controlled Osillator,VCO)是射频收发机中的关键模块,其相位噪声性能决定了射频收发机的选择性和灵敏度。
论文设计了一种应用于卫星数字电视(DVB-S)零中频调谐系统前端调谐芯片的全集成VCO。论文总结了VCO的发展背景,并根据应用环境确定了设计指标;详细分析了VCO的设计理论,包括振荡器工作原理、VCO性能指标、VCO设计中电感和电容结构、常用VCO结构以及通过Lesson和Hajimiri相位噪声模型讨论相位噪声理论等。在以上理论基础上,设计了一种满足DVB-S零中频调谐系统的VCO,该VCO采用了多个VCO切换的方式来实现宽调谐范围,采用8个VCO覆盖整个频率范围,每个VCO中具有两对可切换的固定电容结构,通过选择可以产生4个频率段的信号以扩展单个VCO的频率覆盖范围,并确保同一时刻只有一个VCO处于工作状态。采用了PMOS管为VCO提供尾电流,减少VCO的相位噪声。同时还设计了一个输出缓冲器(Buffer),将8个VCO的输出转化为一路输出,实现信号的归一化,并且对VCO核心电路的输出信号进行适当的放大以满足后级分频器的需求。
论文电路设计基于SMIC0.18μm CMOS工艺,工作电压为1.8V,设计要求VCO的频率覆盖范围为2.25GHz~4.5GHz,相位噪声优于-95dBc/Hz@100kHz,仿真结果表明所设计的VCO能够满足该要求并稍有余度,测试结果表明能够覆盖整个频率范围。