壓控振盪器之設計與實作__臺灣博碩士論文知識加值系統

這篇論文中，我們就基本的LC共振壓控振盪器介紹了震盪原理，並設計幾個實驗驗證一些設計理論。

在第一章與第二章，我們介紹壓控振盪器所應滿足的規格。

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在第一章與第二章，我們介紹壓控振盪器所應滿足的規格。

由系統需求面來檢視這些要求，將更容易分辨最關鍵的項目，同時也可以避免耗費太多精神在系統不需要的條件。

在這個章節我們也會描述各個規格之間是如何彼此互相牽扯，致使壓控振盪器結構簡單卻不易設計。

各規格之間，相位雜訊是最重要但最不易達成的關鍵點，第三章我們將引述兩種相位雜訊的手算分析法來分析它。

這些分析法會把相位雜訊的雜訊源簡單而有效地分為三大類：共振腔雜訊、差動電晶體、以及偏壓電流源，使分析過程更加簡明扼要。

透過上述的分析，我們將在第四章提出幾種有助於設計壓控振盪器的方法。

藉由明確的量化分析幫助電感的挑選；結合切換式電容陣列與類比可變電容，可以在不犧牲相位雜訊之下達成更大的頻率增益所需；電流源濾波技術更能把相位雜訊因子盡可能地降到最低。

這也是第一次我們把相位雜訊分析法帶入砷化鎵異質接面製程的振盪器電路。

最後，其他系統對壓控振盪器的條件需求，例如後級驅動能力、阻抗負載隔絕、正交四相位輸出等，都將由後級達成。

Inthiswork,theprinciplesandverificationofbasicLCtankVCOareintroduced.Severaldesigntheoremshasbeentestedandverifiedbytheexperimentresults.Inchapter1and2,weintroducethespecificationsaVCOshouldachieve.Aviewpointfromthesystemrequirementisbroughtuptoformulatewhatthecriticaltermisandtoavoidwastingefforts.Howtheseconditionstradeoffwitheachotherisalsointroduced.Inchapter3,wequotetwomethodstopredictthephasenoise,themostimportantperformancewhichisthemostdifficulttocontent.Thesourcesofphasenoiseareclassifiedintothreebasicpartsefficiently:resonanttank,differentialpairandthetail(ortop)currentsource.Baseonknowledgestatedabove,webringupsomesuggestionshelpingdesigntheVCOinchapter4.Anunequivocalmethodofchoosingon-chipinductorusingNCRanalysisisdiscussed.Switchedcap-arraycombinedwithanalogvaractorobtainstheeffectivelargeKVCOwithoutworsephasenoise.Filteringtechnologylowerthenoisefactorapproachingitsfunda-mentalminimum.ItisalsothefirsttimeweapplythephasenoisetheoryonGaAsHBTtechnology.Finally,theotherrequirementssuchasdrivingcapability,impedanceisolation,andquadracturephasearefulfilledbytheoutputstages. TableofContentsChapter1Introduction11.1Architecture11.2HistoricalReview31.3FrameworkoftheThesis4‡Chapter2FundamentaloftheVCO52.1Introduction52.2FundamentaloftheLCTankVCO52.3StartupCondition82.4TuningRange92.5PhaseNoise112.6PowerConsumption152.7Summary16Chapter3PhaseNoiseAnalysis173.1Introduction173.2TheTankQ193.3PhaseNoiseAnalysisMethodI203.3.1ResonatorNoise213.3.2TailCurrentNoise223.3.3DifferentialPairNoise243.3.4PhaseNoiseofMethodI253.3.5FlickerNoise263.4PhaseNoiseAnalysisMethodII273.4.1ImpulseSensitivityFunction283.4.2ResonantTankNoise323.4.3TransistorNoise353.4.4PhaseNoiseofMethodII403.5Summary44Chapter4DesignoftheVCO454.1Introduction454.2InductorSelection454.2.1QuantifiedAnalyzingofQ464.2.2ExperimentResult494.2.3VerifyingbyTheory-I594.3CapacitorandVaractor624.3.1TuningMethodsoftheVCO624.3.2TheSwitchedCapacitor644.4DesignofActiveDevices664.4.1RoleoftheTailCurrent674.4.2NoiseFilteringTechnology694.4.3ExperimentResult724.4.4ComplementaryStructure784.5OutputStages794.5.1BufferStages804.5.2QuadractureGenerator824.6Summary83Chapter5Conclusions85 [1]YannDeval,Jean-BaptisteBégueret,AnneSpataro,PascalFouillat,DidierBelot,andFranckBadets“HiperLAN5.4-GHzLow-PowerCMOSSynchronousOscillator”IEEETRANSACTIONSONMICROWAVETHEORYANDTECHNIQUES,VOL.49,NO.9,SEPTEMBER2001[2]H.Jacobsson,S.Gevorgion,B.Hansson,T.Lewin,W.Rabe…etc“LowPhaseNoise,LowPowerICVCOsfor5~8GHzWirelessApplication”,MicrowaveSymposiumDigest.,2000IEEEMTT-SInternational,Volume:2,11-16June2000Page(s):723-726vol.2[3]PaavoVäänänen,MikkoMetsänvirta,andNikolayT.Tchamov“A4.3-GHzVCOwith2-GHzTuningRangeandLowPhaseNoise”,Solid-StateCircuits,IEEEJournalof,Volume:36Issue:1,Jan.2001Page(s):142-146[4]P.J.Topham,ADearn,GParkinson“GaAsBipolarWidebandOscillators”,IEEColloquiumon,3Feb1992[5]Chih-MingHung,BrianA.Floyd,NamkyuPark,andKennethK.O,“FullyIntegrated5.35-GHzCMOSVCOsandPrescalers,”IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques,Vol.49,No.1,Jan.2001[6]C.Samori,S.Levantino,andV.Boccuzzi,“A—94dBc/Hz@100KHz,fully-integrated,5GHzCMOSVCOwith18%tuningrangeforBluetoothapplications,”IEEECustomIntegratedCircuitsConference,2001[7]Y.Deval,J-B.Begueret,A.Spataro,P.Fouillat,D.Belot,andF.Badets,“HiperLan5.4GHzLowPowerCMOSSynchronousOscillator,”IEEERadioFrequencyIntegratedCircuitsSymposium,2001[8]A.HajimiriandT.H.Lee.“DesignissuesinCMOSdifferentialLCoscillators.”IEEEJournalofSolid-StateCircuits,34(5),May1999[9]F.Reif,“FundamentalsofStatisticalandThermalPhysics.”NewYork:McGraw-Hill,1985.[10]Yu-ChangChen,”Analysis,DesignandImplementationofBroadbandAmp-lifiersandOscillators”ThesisinEE,NTU,June2002[11]W.P.Robins,“PhaseNoiseinSignalSources.”London,U.K.:Peregrinus,1982.[12]A.A.Abidi,R.J.vandePlassche,J.H.Huijsing,andW.Sansen,“Howphasenoiseappearsinoscillators,”inAnalogCircuitDesign:RFA/DConverters,SensorandActuatorInterfaces,Low-NoiseOscillators,PLLs,andSynthesizers”,Eds.Boston,MA:Kluwer1997,pp.428—448.[13]BehzadRazavi,“RFMicroelectronics”,UpperSaddleRiver,NJ:PrenticeHall,1998[14]A.Kral,F.Behbahani,A.A.Abidi,"RF-CMOSOscillatorswithSwitchedTuning",CustomICConference,SantaClara,CA,May1998.pages:555-558[15]B.Jansen,K.Negus,andD.Lee,“SiliconbipolarVCOfamilyfor1.1—2.2GHzwithfullyintegratedtankandtuningcircuits,”inISSCCDig.Tech.Papers,1997,pp.392—393.[16]FarbodBehbahani,YojiKishigami,JohnLeete,andAsadA.Abidi,"CMOSMixersandPolyphaseFiltersforLargeImageRejection"IEEEJOURNALOFSOLID-STATECIRCUITS,VOL.36,NO.6,JUNE2001[17]EmadHegazi,StudentMember,IEEE,HenrikSjöland,Member,IEEE,andAsadA.Abidi,Fellow,IEEE,“AFilteringTechniquetoLowerLCOscillatorPhaseNoise”,IEEEJOURNALOFSOLID-STATECIRCUITS,VOL.36,NO.12,DECEMBER2001[18]AliHajimiri,StephenP.Boyd,ThomasLee,etc,“DesignandOptimizationofLCoscillators”0-7803-5832-5/99©1999IEEE[19]DonheeHam,StudentMember,IEEE,andAliHajimiri,Member,IEEE,“ConceptsandMethodsinOptimizationofIntegratedLCVCOs”IEEEJOURNALOFSOLID-STATECIRCUITS,VOL.36,NO.6,JUNE2001[20]J.CraninckxandM.Steyaert,“A1.8-GHzlow-phase-noiseCMOSVCOusingoptimizedhollowspiralinductors,”IEEEJournalofSolid-StateCircuits,vol.32,no.4,Apr.1997[21]A.A.Abidi,D.J.Allstot,etc,“RFCMOSCircuit”,2001IEEEInternationalSolid-StateCircuitsConference,Feb.8,2001SANFRANCISCO.[22]J.J.RaelandA.A.Abidi,“PhysicalProcessesofPhaseNoiseinDifferen-tialLCOscillators,”IEEE2000CustomIntegratedCircuitsConference[23]H.DarabiandA.Abidi,“NoiseinCMOSMixers:ASimplePhysicalModel,”IEEEJournalofSolid-StateCircuits,vol.35,no.1,inpress,2000[24]C.Samori,A.L.Lacaita,A.Zanchi,S.Levantino,andF.Torrisi,“ImpactofIndirectStabilityonPhaseNoisePerformanceofFully-IntegratedLCTunedVCOs,”inEuropeanSolid-StateCircuitsConference,Duisburg,Germany,pp.202-205,1999[26]C.P.Yue,C.Ryu,J.Lau,T.H.Lee,andS.S.Wong.“Aphysicalmodelforplanarspiralinductorsonsilicon.”InproceedingsIEEEIEDM’96,1996[27]M.Hershenson,S.S.Mohan,S.P.Boyd,andT.H.Lee.Optimizationofinductorcircuitsviageometricprogramming.In36thDesignAutomationConference,1999pages994-998,[28]A.vanderZiel,“ThermalNoiseinFieldEffectTransistor,”Proc.IEEEAug.1962,pp.1801-1812,[29]G.Klimovitchetal.,“PhysicalModelingofEnhancedHigh-FrequencyDrainandGateCurrentNoiseinShort-ChannelMOSFETs,”ProceedingsoftheFirstInternationalWorkshoponDesignofMixed-ModeIntegratedCircuitsandApplications,July1997 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