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宽带低相位噪声CMOS环型压控振荡器的设计与研究
摘要
本文介绍了一种宽带低相位噪声的CMOS环型压控振荡器的设计与研究。使用针对宽带低相位噪声优化的环形电路结构，并对分析了其工作原理。采用了低噪声和低阻抗源Bootstrapping技术来降低相位噪声和提高输出功率，同时尽可能的抑制热噪声。最后通过Cadence软件仿真验证，得到了优良的性能指标。研究结果表明，CMOS环型压控振荡器在宽带低相位噪声方面具有优异的性能，具有广泛的应用前景。
关键字：CMOS环型振荡器、低相位噪声、Bootstrapping、Cadence仿真
Abstract
ThispaperdescribesthedesignandresearchofawidebandlowphasenoiseCMOSringvoltagecontrolledoscillator.Theringcircuitstructureoptimizedforwidebandlowphasenoiseisused,anditsworkingprincipleisanalyzed.Lownoiseandlowimpedancesourcebootstrappingtechnologyisusedtoreducephasenoiseandimproveoutputpower,whilesuppressingthermalnoiseasmuchaspossible.Finally,theexcellentperformanceindicatorsareobtainedthroughCadencesoftwaresimulation.TheresearchresultsshowthatCMOSringvoltagecontrolledoscillatorhasexcellentperformanceinwidebandlowphasenoise,andhasawiderangeofapplicationprospects.
Keywords:CMOSringoscillator,lowphasenoise,Bootstrapping,Cadencesimulation
一、引言
在通信、雷达、电视、卫星通讯等领域，电路系统的振荡器是使用最为广泛的重要元件之一。振荡器的基本功能是把直流电能转换成交流电能，不仅在模拟电路中会用到，同时在数字电路、计算机以及生物医学等方面都会涉及到振荡器的应用。随着科学技术的不断发展，对振荡器的性能要求也越来越高，其中包括频率稳定性、输出功率、相位噪声等指标，因此在新工艺和新技术的支持下，对振荡器的研究也越来越深入和广泛。
在电路设计和振荡器研究方面，CMOS技术因其自身的优点被广泛使用。CMOS振荡器是由CMOS晶体管组成的，其结构简单且易于设计，并且能够在低功率和低压力下工作。因此，如何在CMOS振荡器设计中提高其性能指标，特别是在相位噪声方面，一直是振荡器设计中的研究热点。
本文介绍了一种宽带低相位噪声的CMOS环型压控振荡器的设计与研究。下面将从设计过程、仿真测试及结果分析三个方面来进行详细介绍。
二、CMOS环型压控振荡器的设计
2.1电路结构
本文所设计的CMOS环型压控振荡器电路图如下：
图1CMOS环型压控振荡器电路图
其电路结构是采用环形电路结构，由三个反相器(i1~i3)和三个开关(s1~s3)组成。反相器i1~i3的交替输出为输入信号，s1~s3用于对电容Ci~C3进行充电和放电，从而形成振荡。
2.2工作原理
本文所设计的CMOS环型压控振荡器的工作原理如下：
在正脉冲的作用下，s1~s3被打开，电源VP1正电荷通过电容Ci~C3逆向充电，PIC的电荷随着时间不断积累。在三个反相器i1~i3内部，由于电荷是在i1~i3之间来回传播，因此输出将取反，并且在具有非线性晶体管i1~i3的情况下，相位不断增大。
在负脉冲的作用下，s1~s3被关闭，电荷ICi~C3被PIC漏下，在三个反相器i1~i3中，电荷在其之间被来回反向传播，在非线性晶体管i1~i3的作用下，相位不断增大。因此，当正负脉冲的作用循环交替时，输出的波形将变为正弦波，从而实现了振荡器的目标。
2.3Bootstrapping技术
对于CMOS振荡器来说，一个最常见的问题是噪声问题，特别是相位噪声。由于内部噪声和外部噪声的影响，相位噪声是振荡器的主要性能指标之一。因此如何在CMOS设计中降低相位噪声就非常重要。
采用低噪声和低阻抗源Bootstrapping技术是一种有效的方法。Bootstrapping技术是将负反馈网络应用于振荡器中，在振荡器中的是否存在静态等效电容，如果存在，设Csignal为其信号输入电容，Cn为其内部电容，那么Cn/Csignal将会是振荡器产生的所有噪声