射频CMOS集成振荡器研究与设计

  上实现整个射频收发系统慢慢的变成了可能。在目前的市场上，针对工作在１０ＧＨｚ

  以下的射频收发机，传统的ＧａＡｓ工艺已经基本被ＣＭＯＳ工艺取代。如今，使

  用ＲＦＣＭＯＳ工艺实现针对第二代（２Ｇ）和第三代（３Ｇ）标准的无线通信系统

  来新提出的８０２．１１ａｃ协议，要求高达ｌＧｂｐｓ的数据率，因此就需要使用ＭＩＭＯ技

  术和２５６ＱＡＭ的调制方式，这就对收发机系统中的锁相环的相位噪声性能提出

  噪声的相关理论。在此基础上，针对８０２．１１ａｃ协议的射频系统设计了三个使用

  处的相位噪声低于．１１５ｄＢｃ／Ｈｚ。之后分析了已有的噪声滤波技术，并提出了一

  传统的单电感滤波结构相比，变压器滤波结构可以同时抑制ＮＭＯＳ管和ＰＭＯＳ

  器滤波结构比单电感滤波结构在１ＭＨｚ频偏处的相位噪声至少可以改进５ｄＢ。

  —————————————————————————————————————————————————一

  ｒａｄｉｏ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｉｒｃｕｉｔ（ＲＦＩＣ）ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｔ

  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｔａｎｄａｒｄｐｒｅｓｅｎｔｓｍｏｒｅｓｔｒｉｎｇｅｎｔ

  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｉｓｔｈｅｍｏｓｔｃｒｉｔｉｃａｌｂｌｏｃｋｏｆｔｈｅ

  ｎｏｉｓｅｏｆｔｈｅｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｄｅｔｅｒｍｉｎｅｓｔｈｅｏｕｔ－ｏｆ－ｂａｎｄｎｏｉｓｅ

  ｗｉｔｈｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｏｎｅ—ｉｎｄｕｃｔｏｒ－ｂａｓｅｄ

  ｄｅｇｒｅｅｏｆｆｒｅｅｄｏｍｔｈａｎｔｗｏｉｎｄｕｃｔｏｒｓ，ａｎｄｔｈｕｓ

  ｐｒｏｐｅｒｃｈｏｉｃｅ，ｔｈｅｎｏｉｓｅｆｉｌｔｅｒｃｏｕｌｄｒｅｓｏｎａｔｅａｔｂｏｔｈｓｅｃｏｎｄａｎｄｆｏｕｒｔｈｈａＩｍｏｎｉｃ．

  ｄＢ，ｃｏｍｐａｒｅｄｔｏｔｈｅｏｎｅ．ｉｎｄｕｃｔｏｒ－ｂａｓｅｄｆｉｌｔｅｒ．

  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄａｔｔｈｅｅｎｄ．

  出了８０２．１ｌａｃ协议【１１１２１。与传统的协议相比，ａｃ协议要求更高的数据率，从

  而需要采用更新的技术。具体地讲，与１ｌａ协议相比，１ｌａｃ协议虽然也工作

  在５ＧＨｚ的频段，但是采用了ＭＩＭＯ技术［１】；与１ｌｎ协议相比，虽然二者都

  采用了ＭＩＭＯ技术，但是１１ａｃ协议在信道带宽、空间利用率和调制方式等各

  个方面提出了更高的要求，例如：在信道带宽要求上，１１ｎ协议最高为４０ＭＨｚ

  （用于５ＧＨｚ频段），而１ｌａｃ协议为８０ＭＨｚ到１６０ＭＨｚ；在空间利用率上，１１ｎ

  虽然两者都采用ＱＡＭ，但是１１ｎ协议为６ｂｉｔ（６４ＱＡＭ），而ｌｌａｃ协议为８

  （２５６ＱＡＭ）；此外，１１ａｃ协议还支持多个用户同时发送和接收相互独立的数据

  据率［２］。表１．１列出了目前流行的各种８０２．１１通信协议的要求［３】。

  １９９７年６月 ２４ ２０ １，２ ｌ ＤＳＳＳ，ＦＨＳＳ ２０ ６６ １００ ３３０

  ｂ １９９９年９月 ２４ ２０ ５，５，１１ ｌ ＤＳＳＳ ３５ １１５ １４０ ４６０

  目前国际上已经广泛开始研究针对８０２．１ｌａｃ协议的硬件。Ｑｕａｎｔｅｎｎａ公司

  于２０１１年１１月１５日推出了世界上第一款针对８０２．１１ａｃ协议的芯片组，该芯片

  组主要用于零售类无线路由器和消费类电子科技类产品［２，４１。ＲｅｄｐｉｎｅＳｉｇｎａｌｓ公司于

  的低功耗技术［２，５］。博通（Ｂｒｏａｄｃｏｍ）公司于２０１２年１月５日发布了该公司

  从表１．１给出的８０２．１ｌａｃ协议的要求能够准确的看出，针对该协议的收发机系统应

  数据率，采用了ＭＩＭＯ技术，调制方式为２５６ＱＡＭ。与１１ｎ协议的６４ＱＡＭ相

  输出信号进行分频和混频来产生本振信号。具体地讲，如图１．１所示【９】，为了实

  现５．７ＧＨｚ的本振信号，频率综合器的输出频率应选为３．８ＧＨｚ，将输出信号分

  频得到１．９ＧＨｚ的信号，与３．８ＧＨｚ的信号混频后得到本振信号。为了覆盖整个

  ５ＧＨｚ频段（５—５．８ＧＨｚ），频率综合器的输出频率范围至少为３．２—３．９ＧＨｚ。然

  号的比特误差率（ＢＥＲ）。由于高阶ＱＡＭ的星座图中的点更密集，因此对相位

  出频率范围应达到３ －４ＧＨｚ，在整个调节范围内，振荡器的相位噪声都应尽可

  反馈理论做一个简要的回顾。如图２．１所示，一个放大器接在反馈网络中，则闭

  根据反馈理论，放大器稳定的条件是其闭环传递函数满足Ｂａｒｋｈａｕｓｅｎ准则

  观察反馈系统的闭环传递函数可知，放大器的开环传递函数应在某一频率ｔｏｏ满

  后闭环连接，构成反馈环路，如图２．２所示。这种振荡器称为环形振荡器。可以

  证明［１１，１２］，对于单端环形振荡器而言，至少应有五个以上的放大器才能起

  模拟压控振荡器使用变容管来实现频率调节，其典型结构如图２．４所示，通过改

  使用电容阵列实现频率调节，其典型结构如图２．５所示，经过控制与电容阵列串

  定义了振荡器的优值（ｆｉｇｕｒｅｏｆｍｅｒｉｔ，简称ＦｏＭ值），其定义为

  其中厶是输出信号频率，￡｛Ａｆ）是振荡器在频偏Ａｆ处的相位噪声（见第三章），

  ＰＤＣ是振荡器的功耗。式（２．６）表明输出频率越高，相位噪声越低，功耗越小，

  其中ＦＴＲ表示调谐范围的百分值，如调谐范围为３０％，那么ＦＴＲ就是３０。由

  式（２．７）能够准确的看出，调谐范围越高，压控振荡器的ＦｏＭＴ也越高。一般文献中更

  摘要：本章主要介绍已有的相位噪声理论，最重要的包含１）线）线性时变理论的时域描述和频域描述；３）线性理论所遇到的困难和非线性

  到干扰信号的带尾强噪声的影响，产生所谓的“倒易混频”（ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌｍｉｘｉｎｇ），

  会对邻近的接收机产生一定的影响，导致该接收机异常接收信号［１１，１２］。因此，

  其中，Ａ。（ｆ）是输出信号的瞬时幅度，８（ｆ）＝ａ）ｏｔ＋驴（ｆ）是输出信号的瞬时相位。

  有些文献中定义ｄＯ（ｔ）／ｄｔ＝ＣＯｏ＋ｄ妒（ｔ）／ｄｔ为瞬时频率［１４，１５］，然而这一量是没

  器的输出相位ＣＯｏｔ相比，非理想振荡器的瞬时相位ｏ（ｔ）中也包含噪声所引起的

  注意，式（３．４）表明，非理想振荡器与理想振荡器一样，也具有恒定的输出摆

  输出频谱展宽，呈现出“裙状”［１７］，如图３．１（ｂ）所示。因此，输出信号频谱中