【正文】 .26 ．雙端口負(fù)阻振蕩器的輸出功率 ...........28 iv 微帶壓控振蕩器電路設(shè)計(jì)分析 ...............29 微帶振蕩器電路構(gòu)成 ....................29 微帶振蕩器電路仿真設(shè)計(jì)及步驟 .........31 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 .................................33 第 5 章 結(jié) 論 ...............................35 致 謝 ......................................36 參考文獻(xiàn) ......................................37 1 第 1 章 緒 論 壓控振蕩器（ VCO）的基本概念 調(diào)節(jié)可變電阻或可變電容可以改變波形發(fā)生電路的振蕩頻率， 一般是通過人的手來調(diào)節(jié)的。而在自動(dòng)控制等場(chǎng)合往往要求能自動(dòng)地調(diào)節(jié)振蕩頻率。常見的情況是給出一個(gè)控制電壓（例如計(jì)算機(jī)通過接口電路輸出的控制電壓），要求波形發(fā)生電路的振蕩頻率與控制電壓成正比。這種電路稱為壓控振蕩器，又稱為 VCO或 uf 轉(zhuǎn)換電路。 VCO 的發(fā)展方向 通過晶體管的改進(jìn)及振蕩電路的開發(fā)，改善了小型化帶來的諧振器 Q 值降低及低電耗引起的特性劣化。除小型化外，還要求高頻化、寬帶化、高輸出等。隨著移動(dòng)電話的小信號(hào)系統(tǒng)高頻電路的 IC 化，以往統(tǒng)一的無線電路（效率）結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了每臺(tái)機(jī)器間的差別，對(duì) VCO的 要求多樣化了。尤其是關(guān)于高頻率化，對(duì)第 4 代移動(dòng)電話及其它無線通信設(shè)備都是重要的開發(fā)課題。此外，今后由于半導(dǎo)體開發(fā)及材料 /工藝開發(fā)，如何減少部件件數(shù)也是小型化的課題 削減成本和開發(fā)新品 許多公司都希望能夠在不影響未來發(fā)展的情況下降低成本。頻率控制器件制造商 Ralston Electronics 公司的市場(chǎng)總監(jiān) Ronan Cohen 指出，為了滿足需求，它們已經(jīng)調(diào)整了自己在大陸新建生產(chǎn)廠的產(chǎn)能。但他表示： “ 我們不想破壞我們已有的東西。 ” 2 Costa Mesa 公司的市場(chǎng)總監(jiān) Mark Stoner 則指出，Ecliptic 公司去年通過 “ 三班倒 ” 生產(chǎn)將產(chǎn)能提高了30%，而今年它們又恢復(fù)了單班八小時(shí)工作制。 不過， Ecliptic 公司今年招聘了更多的銷售人員，并增加了研發(fā)資金，還為其可編程振蕩器生產(chǎn)線購(gòu)買了一條高速編程裝置。這套裝置使得該公司可以在一天之內(nèi)完成大容量定單的編程、標(biāo)定、測(cè)試和卷帶式包裝。 Ecliptic計(jì)劃近期推出一系列高頻正射極耦合邏輯 (PECL)產(chǎn)品。 Sardonic公司的投資主要集中于其 IT基礎(chǔ)建設(shè)和電子商務(wù)機(jī)構(gòu)。最近它們擴(kuò)大了可編程振蕩器生產(chǎn)線，引入了5 x 7mm 封裝技術(shù)，同時(shí)還在開發(fā)幾 種高頻器件。 其它公司也在積極爭(zhēng)取訂單和發(fā)展新產(chǎn)品。 Fox 電子公司總裁 說： “ 我們加大了研發(fā)投資的力度，集中力量開發(fā)高 ASP和高頻產(chǎn)品。 ” 最近，該公司提高了其可編程振蕩器的穩(wěn)定性并擴(kuò)大了工作溫度范圍。其 JITO2振蕩器的頻率穩(wěn)定性為正負(fù) 25ppm，溫度范圍為－ 40℃ 到85℃ ；或頻率穩(wěn)定性為正負(fù) 20ppm，溫度范圍為－ 20℃ 到70℃ 。 Fox 公司還將其 VCS 系列壓控晶體振蕩器的頻率范圍擴(kuò)展到 40MHz~ MHz。同時(shí)該公司還計(jì)劃推出 5 x 7mm 陶瓷封裝甚高頻振蕩器，以及在今年晚些時(shí)候 推出622MHz表面貼裝振蕩器。 Vector International 公司也將重點(diǎn)放在了壓控晶體振蕩器、集成解決方案 (如 CD700)和頻率控制器件上面。該公司提供通信用 3 x 5mm 表面貼裝壓控晶體振蕩器，當(dāng)頻率大于 12兆赫茲時(shí)其相位抖動(dòng)小于 6 picoseconds。另外，它們還推出了用于通信領(lǐng)域的恒溫控制晶體振蕩器(OCXO)，其 EX380 型產(chǎn)品采用小型、四引腳封裝，可選3 擇頻率范圍為 10H~20MHz。 高頻應(yīng)用器件新品迭出 高頻市場(chǎng)需要擁有更高的可靠性、更好的穩(wěn)定性和更高ASP 的產(chǎn) 品。 “ 困難在于如何實(shí)現(xiàn)在任一頻率上穩(wěn)定，以及如何在當(dāng)前的尺寸、電壓和參數(shù)內(nèi)保持頻率的穩(wěn)定。 ”Corning Frequency Controls 公司負(fù)責(zé)營(yíng)銷的副總裁 Jim Evans 認(rèn)為， “ 一般而言，客戶希望得到尺寸更小、功耗更低并且采用表面貼裝的產(chǎn)品。 ” 目前生產(chǎn)的通信用壓控晶體振蕩器正在向高頻率、小封裝方向發(fā)展。 Toyo 美國(guó)公司銷售經(jīng)理 Robert Schrage指出，針對(duì) CDMA 手機(jī)推出的溫度補(bǔ)償晶體振蕩器 (TCXO)具有更好的相位噪聲性能和更小的封裝，而用于 GSM 手機(jī)、藍(lán)牙設(shè)備和無線局域網(wǎng) 的晶體振蕩器也將變得更小。 Toyo 公司最近推出了 4 x 2mm 封裝的 TSX19 晶體產(chǎn)品，主要用于 GSM手機(jī)和藍(lán)牙設(shè)備。同時(shí)推出的還有用于 CDMA 手機(jī)的 TCO5826 溫度補(bǔ)償晶體振蕩器，尺寸為 5 x ，帶有改進(jìn)型極低相位噪聲集成電路。該公司的TCO2111 型壓控晶體振蕩器的頻率范圍為 70~670MHz。而 的 TCO2111 采用了基本單元振蕩器。 Schrader表示，該振蕩器比同類產(chǎn)品具有更好的相位噪聲性能。 Epson 電子美國(guó)公司新推出用于千兆以太網(wǎng)和光纖信道的 EG2101 LVPECL 輸出振蕩器。該產(chǎn)品采用了高穩(wěn)定性的石英聲表面技術(shù) (SAW)從而得到更好的性能指標(biāo)。 AVX 公司為了開發(fā)用于手機(jī)與網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)的溫度補(bǔ)償晶體振蕩器，推出了 K50系列標(biāo)準(zhǔn)振蕩器的高頻版本，其穩(wěn)定性可達(dá) 25ppm，用于同步光學(xué)網(wǎng)絡(luò)和千兆以太網(wǎng)電路時(shí)4 頻率可達(dá)到 125MHz。該公司還計(jì)劃進(jìn)軍壓控晶體振蕩器市場(chǎng)，預(yù)計(jì)其生產(chǎn)線將于今年第四季度 。 5 第 2 章 MOS變?nèi)莨艿纳漕l壓控振蕩器 MOS 變?nèi)莨? 將 MOS晶體管的漏，源和襯底短接便可成為一個(gè)簡(jiǎn)單的MOS 電容，其電容值隨柵極與襯底之間的 電壓 VBG 變化而變化。在 PMOS 電容中，反型載流子溝道在 VBG 大于閾值電壓絕對(duì)值時(shí)建立，當(dāng) VBG遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于閾值電壓絕對(duì)值時(shí)，PMOS 電容工作在強(qiáng)反型區(qū)域。另一方面，在柵電壓 VG 大于襯底電壓 VB 時(shí)， PMOS 電容工作在積累區(qū)，此時(shí)柵氧化層與半導(dǎo)體之間的界面電壓為正且能使電子可以自由移動(dòng)。這樣，在反型區(qū)和積累區(qū)的 PMOS 電容值 Cmos 等于 Cox（氧化層電容）。 在強(qiáng)反型區(qū)和積累區(qū)之間還有三個(gè)工作區(qū)域：中反型區(qū)，弱反型區(qū)和耗盡區(qū)。這些工作區(qū)域中只有很少的移動(dòng)載流子，使得 Cmos電容值減?。ū?Cox ?。?，此時(shí)的 Cmos可以看成 Cox和 Cb 與 Ci的并聯(lián)電容串聯(lián)構(gòu)成。 Cb 表示耗盡區(qū)域電容的閉環(huán)，而 Ci 與柵氧化層界面的空穴數(shù)量變化量相關(guān)。如果 Cb（ Ci）占主導(dǎo)地位， PMOS 器件工作在耗盡（中反型）區(qū)；如果兩個(gè)電容都不占主導(dǎo)地位， PMOS器件工作在弱反型區(qū)。 Cmos 電容值隨 VBG 變化的曲線如圖21 所示。 6 圖 21 B=D=S 的 PMOS 電容的調(diào)制特性曲線 工作在強(qiáng)反型區(qū)的 PMOS 的溝道寄生電阻值可以由下式得出： |)|(12 ?VVWK LR BGPM O S ?? (11) 式中， W， L 和 kp 分別是 PMOS 晶體管的寬度，長(zhǎng)度和增益因子。值得注意的是，隨著 VBG接近閾值電壓的絕對(duì)值， Rmos 逐步增加，在 VBG 等于閾值電壓絕對(duì)值時(shí) Rmos為無限大。這個(gè)公式基于了最簡(jiǎn)單的 PMOS模型，事實(shí)上，隨著空穴濃度的穩(wěn)步減少， Rmos 在整個(gè)中反型區(qū)會(huì)保持有限值。 MOS變?nèi)莨? 通 過上面的分析，我們知道普通 MOS 變?nèi)莨苷{(diào)諧特性是非單調(diào)的，目前有兩種方法可以獲得單調(diào)的調(diào)諧特性。 一種方法是確保晶體管在 VG 變化范圍大的情況下不進(jìn)入積累區(qū)，這可通過將襯底與柵源結(jié)斷開而與 電路 中的最高直流電壓短接來完成（例如， 電源 電壓 Vdd）。 7 圖 22 是兩個(gè)相同尺寸 MOS 電容的 Cmos－ VSG 特性曲線的相互對(duì)比。 圖 22 反型 MOS電容的調(diào)制特性曲線 很明顯反型 MOS 電容的調(diào)諧范圍要比普通 MOS 電容寬，前者只工作在強(qiáng)，中和弱反型區(qū)，而從不進(jìn)入積累區(qū)。 更好的方法是應(yīng)用只工作在耗盡區(qū)和積累區(qū)的 MOS 器件，這樣會(huì)帶來更大的調(diào)諧范圍并且有更低的寄生電阻，即意味著 更高的品質(zhì)因數(shù)，原因是其耗盡區(qū)和積累區(qū)的電子是多子載流子，比空穴的遷移率高約三倍多。要得到一個(gè)積累型 MOS電容，必須確保強(qiáng)反型區(qū)，中反型區(qū)和弱反型區(qū)被禁止，這就需要抑制任何空穴注入 MOS的溝道。方法是將 MOS器件中的漏源結(jié)的 p+摻雜去掉，同時(shí)在原來漏源結(jié)的位置做 n+摻雜的襯底接觸，如圖 23 所示。 8 圖 23 積累型 MOS電容剖面示意圖 這樣就將 n 阱的寄生電阻減少到最小。積累型 MOS 電容和普通 MOS電容的調(diào)諧曲線如圖 24 所示。 圖 24 積累型 MOS電容的調(diào)制特性曲線 可以看到積累型 MOS電容良好的單調(diào)性。值得注意的是在設(shè)計(jì)積累型 MOS 電容的過程中沒 有引入任何附加工藝流程。 設(shè)計(jì)與仿真結(jié)果 9 圖 25 VCO的 電路 結(jié)構(gòu)圖 所采用的 VCO電路 結(jié)構(gòu)如圖 25 所示。這是標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)稱 CMOS結(jié)構(gòu)，兩個(gè)變?nèi)莨軐?duì)稱連接，減小了兩端振蕩時(shí)電位變化對(duì)變?nèi)莨茈娙葜档挠绊懀岣吡祟l譜純度。為了保證匹配良好，電感要采用相同的雙電感對(duì)稱連接。此外，由于 LC振蕩回路由兩個(gè)尺寸非常大的片內(nèi)集成電感和兩個(gè)同樣有較大尺寸的積累型 MOS變?nèi)莨芙M成，較高的損耗使得品質(zhì)因數(shù)不高，這就需要較大的負(fù)跨導(dǎo)來維持振蕩持續(xù)進(jìn)行；并且等效負(fù)跨導(dǎo)的絕對(duì)值必須比維持等幅振蕩時(shí)所需要的跨導(dǎo)值大才能保證起振，所以兩對(duì)耦合晶體管需要設(shè)置較大的寬長(zhǎng)比，但大的寬長(zhǎng)比同時(shí)帶來較大的寄生效應(yīng)， 造成相位噪聲和調(diào)諧范圍受到影響，最終在底端用兩個(gè) NMOS晶體管形成負(fù)電阻以補(bǔ)償 VCO的損耗。根據(jù)小信號(hào)模型分析，忽略各種寄生及高階效應(yīng)，可以估算得到等效負(fù)電阻 RG的絕對(duì)值大小為（設(shè)兩個(gè)有源器件跨導(dǎo)分別為 gM1， gM2）： 2111MMg ggR ?? (12) 頂端的 PMOS晶體管提供偏置電流，這種結(jié)構(gòu)所需的電源 電 壓很低。 整個(gè)設(shè)計(jì)基于 TSMC的 鍺硅射頻工藝模型PDK，共有三層金屬。其中，電感為平面螺旋八邊形，由頂層金屬繞制而成。選取電感值為 ，那么在振蕩頻率選定的情況下可以確定總的電容大小。構(gòu)成 LC振蕩回路里的電容成份有電感的寄生電容（很?。?NMOS晶體管的漏－襯底電容，柵－漏電容，柵－源電容和最重要的積10 累型 MOS電容。在保證起振的情況下，為了獲得更大的調(diào)諧范圍，最后一項(xiàng)所占比例必須盡可能大。 圖 26 VCO的調(diào)諧曲線 最后采用的電源電壓為 ，功耗約為 10mW。用Cadence平臺(tái)下的 SpectreRF 進(jìn)行仿真，得到的調(diào)諧曲線如圖 26 所示。控制電壓在 0～ 2V變化時(shí)，振蕩頻率在～ 間變化，中心頻率為 ，調(diào)諧范圍約為 28％。中心頻率處的相位噪聲曲線如圖 27 所示，此時(shí)的控制電壓為 ，對(duì)應(yīng)偏移量 600kHz 的相位噪聲為128dB/Hz。 11 圖 27 VCO的相位噪聲曲線 當(dāng)控制電壓由 2V時(shí)，振蕩頻率變?yōu)?，相位噪聲變?yōu)? 135dB/Hz，降低了 7dB。這是由兩個(gè)方面的原因引起的，首先是由于 LC振蕩回路總的電容減小，振蕩頻率增加，這就減小了要維持振蕩所需的負(fù)跨導(dǎo)，但因?yàn)閮蓚€(gè) NMOS晶體管提供的負(fù)跨導(dǎo)幾乎不變，所以就使得穩(wěn)定振蕩幅度增加，相位噪聲減小。另外一方面是源于此過程中積累型 MOS 電容的溝道寄生電阻會(huì)隨著電壓升高而變小，從而降低了損耗，降低了相位噪聲。 與采用反型 MOS變?nèi)莨茉O(shè)計(jì)的 VCO 比較，由于電子具有較高的遷移率，使得積累型 MOS 電容的溝道寄生電阻比反型 MOS電容要低，即意味著積累型 MOS 電容具有較高的品質(zhì)因數(shù)，導(dǎo)致了 VCO整體性能有所提高，特別是相位噪聲有所減少。比較結(jié)果如表 1 所示?？紤]到工藝和功耗等因素，采用積累型 MOS電容有更大的優(yōu)勢(shì)。 表 21 兩種 MOS電容 VCO的性能比較 變?nèi)葜? 頻率范圍（ GHz） 調(diào)諧范圍 相位噪聲（ 600k）（ dBc/Hz） 12 積累型MOS ~ 28% 128 反型MOS ~ 29% 117 13 第 3 章 采用硅雙極型 IC簡(jiǎn)化 VCO設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)參數(shù)及原理介紹 壓控振蕩器 (VCO)的頻率隨著作用在其調(diào)諧端口的電壓而改變，在鎖相環(huán)內(nèi) (PLL)， VCO 為超外差接收機(jī)內(nèi)部的頻率轉(zhuǎn)換提供穩(wěn)定的本振 (LO)信號(hào)。 VCO還可用于發(fā)送鏈路，將基帶信號(hào)上變頻至射頻 (RF)以便通過電視廣播傳送(圖 31)。 圖 31 典型的超外差接收機(jī)框圖 設(shè)計(jì)考慮 進(jìn)行 VCO設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮下列重要參數(shù)，其中最需要考慮的是 VCO的相位噪聲 : 輸出電平，用 dBm表示 (dB對(duì)應(yīng)與 1mW) 輸出諧波電平，用 dBc表示 (dB對(duì)用于載波功率 ) 調(diào)諧靈敏度，用 Hz/V表示 14 振蕩頻率的負(fù)載牽引，用 Hz pp 表示 (對(duì)于給 定的負(fù)載，電壓駐波比 (VSWR)旋轉(zhuǎn) 360176。) 頻率推移，用 Hz/V表示 ,在偏置電壓改變的情況下 VCO 相位噪聲 ,用 dBc/Hz表示