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VCO仿真的方法.doc

VCO仿真的方法

背后动终成伤
2019-04-18 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《VCO仿真的方法doc》,可适用于IT/计算机领域

CMOS环形压控振荡器的设计摘要压控振荡器(VCO)是一个输出振荡频率由电压控制的电子振荡器。当调制信号发生变化时其会影响VCO的频率和相位的变化及实现调频和调相。VCO和数字脉冲相似他们均可以进行频移键控调制、相移键控调制和脉冲宽度调制。对于高频VCO来说其主要是通过变容二极管连接到谐振电路来控制其输出频率多出现在LC振荡器中。而在低频情况下是通过另一种方法来控制(如电压控制电流源从而来改变电容的充放电时间)。多用于CMOS振荡器这也是本次研究所采用的方法。VCO是现代无线通信射频系统中的一个关键部件它主要用于提供本地振荡信号、频率合成。同时被广泛应用于通信电路中例如锁相环、频率综合器以及时钟产生和环形振荡器。随着深亚微米CMOS工艺的不断发展,CMOS工艺被广泛应用于射频集成电路(RFIC)的设计中。核心部件的射频低功耗低噪声的VCO成为整个PLL电路的研究热点。环形压控振荡器(VCO)在基于CMOS工艺的射频电路中以其低功耗、面积小、易于集成等优点扮演着重要角色。本课题的研究内容主要是设计一种基于CMOS工艺的低抖动的环形压控振荡器。通过改变其器件的参数从而实现如下技术指标:频率变化范围为MHz压控增益为MHzV。计算出相关的系统参数和指标并完成各个子模块的时域和频域分析。关键词:环形压控振荡器延迟单元频率调谐相位噪声抖动DesignofCMOSVoltageControlledOscillatorABSTRACTAvoltagecontrolledoscillatororVCOisanelectronicoscillatordesignedtobecontrolledinoscillationfrequencybyavoltageinputThefrequencyofoscillationisvariedbytheappliedDCvoltage,whilemodulatingsignalsmayalsobefedintotheVCOtocausefrequencymodulation(FM)orphasemodulation(PM)aVCOwithdigitalpulseoutputmaysimilarlyhaveitsrepetitionrate(FSK,PSK)orpulsewidthmodulated(PWM)ForhighfrequencyVCOsthevoltagecontrolledelementiscommonlyavaricapdiodeconnectedaspartofanLCtankcircuitItalwaysappearsintheLCoscillatorForlowfrequencyVCOs,othermethodsofvaryingthefrequency(suchasalteringthechargingrateofacapacitorbymeansofavoltagecontrolledcurrentsource)areusedAndthisisusuallyusedintheCMOSoscillatorThisisalsothemethodofthisstudyVCOisakeycomponentofmodernwirelesscommunicationinRFsystem,itismainlyusedtoprovidethelocalsignalandthefrequencysynthesizerAnditusuallyisusedincommunicationcircuits,suchasphaselockedloopfrequencysynthesizers,andclockgenerationandringoscillatorWiththecontinuousdevelopmentofdeepsubmicronCMOStechnology,CMOStechnologyhasbeenwidelyusedinradiofrequencyintegratedcircuit(RFIC)designAcorecomponentoftheRFlowpowerlownoiseVCOofthePLLcircuitishotRingvoltagecontrolledoscillator(VCO)playanimportantroleintheRFcircuitoftheCMOSprocess,withitslowpowerconsumption,smallsize,easeofintegrationadvantagesThecontentofthissubjectistodesignalowjitterringvoltagecontrolledoscillatorbasedonCMOStechnologyThisoscillator,inordertoachievethefollowingtechnicalindicatorsfrequencyrangeofMHz,voltagecontrolledgainofMHzVbychangingtheparametersofthedeviceCalculatethesystemparametersandindicators,andthecompletionofeachsubmoduletimedomainandfrequencydomainanalysisKeyWords:VCO DelayCell FrequencyTuning PhaseNoise Jitter目  录第一章绪论  课题意义  课题的国内外发展状况  课题的研究内容  研究方法  研究步骤  工具简介  第二章VCO的原理  VCO的振荡条件  VCO延迟单元电路的介绍  VCO频率调谐  频率调谐的原理···········································································频率调谐的方法··········································································VCO的主要性能指标  VCO的噪声种类········································································VCO的主要参数········································································第三章CMOS环形VCO电路结构及原理  传统单端反相器VCO的结构  电流饥饿型VCO的结构  低抖动VCO的结构  电路的结构原理  电路的特点  第四章低抖动CMOS环形vco电路特性的仿真  电压频率特性的描述及仿真  输出频率的影响因素  输出频率及压控增益的仿真结果及分析  相位噪声的仿真结果及分析  版图的设计  结  论  参考文献  致  谢  第一章  绪论课题意义压控振荡器是高性能数字系统的关键模块。它具有广泛的用途在通信、电子、航海、航空航天及医学等诸多领域都扮演着重要的角色尤其在通信系统电路中压控振荡器(VCO)是关键部件特别是在时钟恢复电路、频率综合器电路和锁相环电路中等更是具有重要的作用VCO几乎与电流源和运放具有同等重要地位。而且在现代高性能DSP芯片设计中锁相环(PLL)被广泛用作片内时钟发生器实现相位同步及时钟倍频。压控振荡器(VCO)作为锁相环电路的关键模块其性能将直接决定锁相环的整体工作质量。目前在CMOS工艺中实现的VCO主要有两大类:LC压控振荡器和环形压控振荡器。其中LC压控振荡器具有较低的相位噪声和较低的功耗但需要采用片上集成电感因而占用很大的芯片面积且调谐范围较小。而CMOS环形振荡器有着频率调节范围大芯片面积小功耗低易于集成制造工艺简单等优点且可以通过调整振荡器的级数方便的获得不同相位的一系列时钟因此在系统芯片(SOC)中有着更为广泛的应用。课题的国内外发展状况近年来随着通信电子领域的迅速发展对电子设备的要求越来越高尤其是对像振荡器等这种基础部件的要求更是如此。但多年来我国在这方面的研究投入无论在军用还是民用上均不够重视仅限于在引进和改进状态还没有达到质的跨越没有自主的知识产权(IP)也之所以在电子通信类滞后发达国家的一个重要原因。而且我国多数仍然利用传统的双极工艺致使产品在体积上、重量上、成本上都较大各种参数性能不够优越稳定性差、难以和现代主流CMOS工艺集成等等都是我国相关领域发展的瓶颈。而且在当前时代很多发展趋势正在影响着具有改进相位噪声的VCO的开发。例如基本的RFIC工艺在不断的改进半导体工艺能实现品质因数在不断改善各种有源和无源器件都在提高中。在硅工艺方面现在已经能制造出特征频率超过GHz的晶体管具有宽电容比调谐范围(低串联阻抗)的更高Q值变容二极管也可以实现。这些工艺的特点是具有更低损耗的衬底它的金属层更厚电感Q值更高。采用这些工艺制作的器件可以减少寄生原件是VCO具有更低的噪声更高的工作频率和更低的电流消耗。VCO的研究者通过发明更先进的电路来充分利用IC技术的以进一步改善VCO的性能。因此我国在电子通信领域市场潜力非常大自主研究高性能、高质量、低成本的压控振荡器市场前景广阔、意义巨大。课题的研究内容研究方法首先利用相关的EDA软件进行子功能模块电路的设计再通过EDA软件对设计电路进行优化使其达到相应参数。再通过EDA软件进行仿真得到其频域图和时域图分析是否符合课题要求。最后将各个模块综合到一起通过调整各模块的可变参数使整个VCO系统达到它所要求的技术指标。研究步骤第一步:熟悉课题内容查阅相关资料第二步:完成系统结构的设计第三步:完成原理图设计第四步:使用EDA软件设计电路第五步:使用EDA软件优化电路第六步:完成电路的版图设计第七步:完成电路的整体仿真验证。研究工具Cadence是Cadence公司的全定制集成电路设计工具也是一款大型的EDA软件它几乎可以完成电子电路设计的所有内容比如ASIC设计、FPGA设计、PCB板设计等等。而且Cadence在仿真、电路图设计、自动布局布线、版图设计及验证等方面有着绝对的优势。尤其是在版图设计方面居于行业的领先地位。其中包含有原理图输入环境VirtuosoSchematicComposer、版图编辑环境VirtuosoLayoutEditor、晶体管级电路仿真器Spectre、验证工具Assura和Diva以及验证和参数提取工具Dracula等。这里主要使用其原理图输入环境VirtuosoSchematicComposer、版图编辑环境VirtuosoLayoutEditor及Spectre仿真器等功能。Spectre紧密结合在CadenceIC全定制设计平台中能够在多个领域提供详细的晶体管级分析结果。其优越的软件构架允许在低内存消耗的同时进行高容量的分析。其功能和特点有:它具有可调整准确性和收敛性的工具箱提供高性能、高容量的SPICE级模拟和射频仿真具有能够权衡精度和性能的用户友好型的仿真设置适用于最复杂的模拟和定制数字集成电路能够实现精确、高效的布局后模拟包括RLCK寄生、S参数模型(n端口)和有损耦合传输线(mtline)可以执行特定应用的RF性能参数分析(如光谱响应、增益压缩、互调失真、阻抗匹配、稳定性、隔离)它还包括先进的统计分析(智能、蒙特卡罗、DCmatch)在不牺牲时间的前提下帮助制造具有高级工艺节点的集成电路设计公司拓展市场和提高产量通过紧密集成Virtuoso模拟设计环境中提供快速的交互仿真设置、交叉探测和可视化的后仿真结果处理通过其多模式仿真模型对使用硅工艺和foundry认证的共享器件模型的设计确保更高的设计质量。第二章VCO的原理VCO的振荡条件振荡器是不需要外加信号激励自身能将直流信号转换为周期性的交流信号(一般为电压信号)的电路。振荡器的核心是一个在振荡频率处呈现正反馈的环路。图给出了该反馈系统的通用模型。图振荡器的反馈模型其中为前向电路的传输函数而是反馈防漏的传输函数而反馈系统的闭环传输函数为。则该反馈系统的闭环传输函数为:=         ()其中是该反馈系统的环路增益。如果在所有的频率点上则该系统是一个稳定的反馈系统在各种低频模拟电路中这种系统得到了广泛的应用。如果在某频率上该系统在频率为处的闭环传输函数为无穷大因此只要该系统的输入引入一点噪声该噪声就会被无限放大产生无穷大的输出即产生了振荡。而如果在某频率上该系统在频率为处的环路增益大于因此只要环路中引入一点噪声该噪声就会被无限放大产生无穷大的输出亦即产生了振荡。因此振荡器的振荡条件为:()该判定条件可以分解为两方面幅度判据和相位判据:()()                                                                                    它们即为振荡器的幅度稳定条件和相位稳定条件。该条件被称为Barkhausen判据。但是由上可知振荡器在开始振荡时需要一个微小的噪声源该微小的噪声源在此稳定条件下不能够为输出提供稳定的周期信号所以在开始振荡时必须要求环路增益要大于这样它便可以将微小噪声源放大从而达到稳定的周期输出信号。考虑到温度和和工艺等外界因素的影响在振荡频率处环路增益通常设计为必须值的两到三倍。当环路中的信号振幅增加到一定程度后振荡器中有源器件存在的非线性会限制振幅的继续增加使得振荡器的输出达到稳定这是一个非线性过程。但是Barkhausen判据仅是实现振荡器的必要条件而不是充分条件。例如如果一个反馈系统在频率为时的环路增益不小于而且相移等于那么该系统仅处于锁定状态而不是振荡状态。实际中振荡器的输出信号应该是稳定的周期信号因此振荡器需要满足稳定条件即指在外因作用下振荡器的平衡条件收到破坏时振荡器可以进行自我调节重新建立平衡条件从而继续稳定振荡。其稳定条件又可以分为幅度稳定条件和相位稳定条件。振幅稳定性条件是指振幅平衡条件受到破坏时振荡器自身能重新建立起振幅平衡点的条件若能建立则振荡器仍能保持稳定的振荡。振幅稳定性条件的关键是在平衡点附件环路增益的幅度随振幅的变化特性具有负的斜率即:。     () 其中是振荡器稳定工作时的幅度。可通过图说明其幅度稳定条件。图稳定振荡器闭环传输函数与振荡幅度关系曲线由图可知环路增益的幅度随着振荡的增强而下降。当受到某种外因时其振荡幅度减小而环路增益的幅度将大于这样便会使振荡幅度逐渐增加而只有当其振荡幅度重新达到VQ时环路的增益下降到从而使振荡器达到稳定同理当振荡幅度增加时其环路增益度幅度将小于振荡器呈现减幅振荡这样又使得其振荡幅度减弱当达到VQ时又达到稳定条件。因而由图可以看出其幅度稳定条件是环路增益幅度随振幅的变化特性具有负斜率。类似的相位稳定条件即指相位条件受到破坏时振荡器能自身建立新的相位平衡条件。但需要注意的是由于振荡器的角频率是相位的变化率()当其相位发生变化时频率也必然发生变化因此相位稳定条件实质上和幅度稳定条件是一回事。如果由于某种原因相位平衡遭到破坏产生了一个很小的相位增量。如果则反馈电压超前于原输入电压(前一次反馈电压)一个相角相位超前就意味着周期缩短。如果振荡电压不断地放大、反馈、再放大如此循环下去输入电压的相位将一次比一次超前周期不断缩短相当于每秒钟内循环的次数在增加这就意味着振荡频率在不断地提高。反之如果反馈电压将滞后于原输入电压同理将导致振荡频率的不断降低。因此外因引起的相位变化与频率的关系是:相位超前导致频率升高相位滞后导致频率降低振荡频率与相位的变化关系可表示为:               ()为了维持振荡器的相位稳定振荡器本身应该具有恢复相位平衡的能力。换句话说就是在振荡频率发生变化的同时振荡电路能够产生一个新的相位变化以抵消由外因引起的变化因而这二者的符号应该相反亦即相位稳定条件为振荡电路的相移与频率之间的关系应该满足:               ()即振荡器的相位稳定条件要求谐振回路的相频特性曲线在工作频率附件具有负的斜率。图并联谐振回路的相频特性如果振荡器采用LC谐振负载来决定振荡频率(LC反馈振荡器后面我们会讲到)则环路增益的相移由放大器的相移、谐振回路的相移以及反馈回路的相移三部分组成。而并联谐振回路的相频特性恰好具有负的斜率如图(a)所示其中为振荡器的总相移。在利用图(b)来解释振荡器的频率稳定原理。假定放大器的相移和反馈回路的相移之和为则只有工作频率为时谐振回路的相移相位平衡条件方被满足。若由于外因使振荡器相位发生了变化变化到即产生了一个增量从而破坏了频率的平衡条件。这种不平衡促使频率升高。由于频率升高使谐振回路产生负的相移增量。当时环路增益的相位重新满足等于的条件振荡器在频率上再一次达到平衡。但是新的稳定平衡点毕竟还是偏离原来稳定平衡点一个。显而易见这是为了抵消的存在必然出现的现象。VCO的延迟单元及其优缺点环型振荡器的实现可以采用纯数字的CMOS工艺来实现其不需要电感可以节省大量的芯片面积从而实现低成本的振荡器而且这种振荡器可以实现很宽的调谐范围因此环型振荡器在时钟类型的应用以及低频或者中频通信系统中得到广泛应用。但是环型振荡器的噪声性比较能差功耗高这些缺点限制了它在射频通信系统中的应用。环型振荡器由几个相同的延迟单元组成一个环路如图所示。延迟单元可以采用单端反相放大结构或者差分结构(a)图为单端反响放大结构(b)图为差分结构。图环形振荡器图单端延迟单元电路VCO的延迟单元可以采用单端和差分结构。图给出了一些常用的单端延迟电路(a)是电阻做负载的共源放大结构又考虑到工作在线性区的MOS管也可以作为电阻因此(a)中的负载电阻也可以用线性区工作的PMOS来实现如图(b)所示为了保证MOS电阻的准确度偏置电压设置应合理则该结构也可以实现全摆幅振荡。但是信号幅度太大时PMOS的导通电阻值会发生变化从而导致振荡器的波形产生畸形上升时间和下降时间不在相等同时负载电阻也可以用二极管型负载来代替如图(c)PMOS管接成二极管形式其负载电阻为而且该结构输出的电压最高只能达到但信号的摆幅受到限制(d)图给吃了将二极管型负载和线性区工作的MOS管负载并联组合作为公园放大器的负载其可以扩大负载电阻的线性范围(e)是CMOS反相器其也可作为延迟单元实现全摆幅振荡。这些延迟单元的延迟时间都于电源电压有关大电源电压变化时电路的延迟时间也会发生变化从而直接影响着振荡器的频率发生变化。一般的单端延迟电路其延迟时间容易受到电源电压噪声和衬底噪声的干扰而单端延迟单元和差分结构的区别在于差分延迟单元可在一定程度上抑制这类噪声因为我们知道差分结构的特点就是其共模抑制比很大可以抑制共模噪声即能很好的抑制环境噪声(电源噪声)但是它也有个缺点那就是以电路面积为代价的因为其电路结构的对称性在芯片上占用的面积相对较大这也增加了其制作的成本。但是考虑到现在芯片发展的主流趋势以微小化便捷化为目标所以本设计中仍然采用的是单端延迟单元具体分析见后文。

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