0.18μm CMOS工艺下宽带VCO设计与NMOS交叉预编码技术

本文主要探讨的是在宽带CMOS锁相环（PLL）设计中的关键组件——电压控振荡器（VCO）。针对通信事业发展中对射频接收前端的高要求，特别是VCO的性能提升，作者以Chartered公司0.189微米CMOS工艺为基础，设计了一款工作频率范围从1.8GHz到3GHz的VCO。 首先，章节一深入讨论了VCO的设计理论，着重于优化其性能。VCO的设计需要考虑诸多因素，如频率的稳定性和带宽，以及减小电流损耗。通过选择大电感以降低电流损耗，同时通过减少串联电阻和衬底损失来提高Q值，降低相位噪声。尺寸优化也是关键，小面积设计能降低成本，减小衬底损耗，而高自振频率允许使用更大容量的变容二极管，拓展VCO的振荡范围。文章还介绍了片上螺旋电感的设计，包括其图形化表示和等效电路模型，以及如何通过金属线电阻调整和衬底屏蔽来减小损耗。 章节中提到了几种在CMOS工艺中常用的可变电容类型，包括PN结电容、普通MOS管电容、反型MOS管电容和累积型MOS管电容。每种电容都有其特点和局限性，如PN结电容虽然Q值高，但调谐范围有限且有工作状态限制；反型MOS管电容调谐范围稍有提升但受制于非线性效应；而累积型MOS管电容在改进了这些缺点后，调谐范围可达130%，性能显著改善。 接下来，文章重点转向了交叉耦合振荡器电路结构，如图2.10所示的NMOS交叉耦合电感电容压控振荡器。这种设计结合了LC谐振网络和尾电流源，使得VCO在接收机中的应用更为有效。该电路在直流状态下节点电压稳定，当VCO振荡后，节点X和Y产生近似正弦波，其幅度和频率受控制参数的影响。 论文的核心内容围绕VCO的设计指标展开，包括但不限于带宽、噪声性能、锁定速度等，这些都是决定VCO能否满足高性能射频通信系统需求的关键要素。作者通过对现有研究的综述和应用背景分析，旨在提出一种能满足现代通信系统要求的创新VCO设计方法。 本文在深入了解CMOS工艺特性和VCO工作原理的基础上，探讨了宽带CMOS PLL中的VCO设计策略和技术挑战，为高性能无线通信系统的前端开发提供了有价值的技术支持。