目录 目录 摘要 1 第一章 绪论 3 第二章 相位噪声分析 2.1回顾现有的模型 2.2线性相位时变模型 2.2.1相位增量的脉冲响应 2.2.2相位-电压转换 10 2.2.3相位噪声 11 2.2.4周期平稳噪声源 13 2.2.5模拟结果 14 2.2.6小结 17 第三章差分Colpitts电路设计 18 3.1结构分析 18 3.2噪声源分析 22 第四章差分Colpitts VCO仿真结果 26 4.1eldo仿真 26 4.2小结 28 第五章结论 30 附录。 31 参考文献.。 31 致谢 32
目 录 1 目 录 摘 要.........................................................................................................1 第一章 绪论...........................................................................................3 第二章 相位噪声分析 ..........................................................................5 2.1 回顾现有的模型 ...........................................................................5 2.2 线性相位时变模型 ........................................................................7 2.2.1 相位增量的脉冲响应 ..........................................................7 2.2.2 相位 – 电压转换 ..............................................................10 2.2.3 相位噪声 ............................................................................11 2.2.4 周期平稳噪声源 ................................................................13 2.2.5 模拟结果 ............................................................................14 2.2.6 小结 .....................................................................................17 第三章 差分 Colpitts 电路设计..............................................................18 3.1 结构分析 .....................................................................................18 3.2 噪声源分析 .................................................................................22 第四章 差分 Colpitts VCO 仿真结果 ....................................................26 4.1 eldo 仿真.......................................................................................26 4.2 小结..............................................................................................28 第五章 结 论...........................................................................................30 附录...........................................................................................................31 参考文献...................................................................................................31 致谢...........................................................................................................32
摘要 摘要 近年来，无线和移动通讯得到了前所未有的发展，随着通讯需求的不断增长， 对可用频带的需求随之上升，对VCO的频率稳定性提出了更高的要求。对数字 电路而言，追求更高的时钟频率，更小的时钟抖动也是低噪声振荡器设计的重要 驱动力。 深入的理解相位噪声的产生机制是设计低噪声振荡器的基础，然而现有的相 位噪声模型只给出了概念性的优化思想，对实际设计振荡器缺乏有力的支持。本 文主要讨论时变相位噪声模型[1]，该模型能对振荡器的相位噪声给出定量的描 述，且由于其的时变特性，对电路中周期性噪声源产生的影响也计算在内。该模 型很好的解释了低频噪声是如何上变频成为相位噪声的。 基于线性时变模型，本文设计了一个差分Colpitts振荡器2]，该设计实例很 好地验证了线性时变模型的理论。 本文一共五章。第一章是相位噪声的概述，第二章分析了相位噪声模型，重 点介绍时变相位噪声模型。第三章是差分Colpitts振荡器的设计实例，分析其结 构和噪声源。第四章为差分Colpitts振荡器的仿真结果和分析。 关键词：相位噪声，Colpitts,线性时变
摘 要 1 摘 要 近年来，无线和移动通讯得到了前所未有的发展，随着通讯需求的不断增长， 对可用频带的需求随之上升，对 VCO 的频率稳定性提出了更高的要求。对数字 电路而言，追求更高的时钟频率，更小的时钟抖动也是低噪声振荡器设计的重要 驱动力。 深入的理解相位噪声的产生机制是设计低噪声振荡器的基础，然而现有的相 位噪声模型只给出了概念性的优化思想，对实际设计振荡器缺乏有力的支持。本 文主要讨论时变相位噪声模型[1]，该模型能对振荡器的相位噪声给出定量的描 述，且由于其的时变特性，对电路中周期性噪声源产生的影响也计算在内。该模 型很好的解释了低频噪声是如何上变频成为相位噪声的。 基于线性时变模型，本文设计了一个差分 Colpitts 振荡器[2]，该设计实例很 好地验证了线性时变模型的理论。 本文一共五章。第一章是相位噪声的概述，第二章分析了相位噪声模型，重 点介绍时变相位噪声模型。第三章是差分 Colpitts 振荡器的设计实例，分析其结 构和噪声源。第四章为差分 Colpitts 振荡器的仿真结果和分析。 关键词：相位噪声，Colpitts，线性时变
Abstract Abstract During the last a few years,there has been tremendous growth in wireless mobile systems.This growth has placed stringent requirements on channel spacing and,by implication,on the phase noise of oscillators.Low noise oscillators are also highly desired in the digital world,of course.The continued drive toward higher clock frequencies translates into a demand for ever-decreasing jitter. Clearly,there is a need for a deep understanding of the fundamental mechanisms for the process of phase noise.Existing models generally offer only qualitative insights,however. This thesis focuses on a time-variant phase noise model.[1]This model is capable of making quantitative predictions of the phase noise of different types of oscillators.It also takes into account the effect of cyclostationary noise sources in a natural way. This work is divided into five chapters.The first offers a brief introduction of phase noise,while Chapter 2 reviews the existing models and pays emphasis on the time-variant phase noise model.Chapter 3 shows a design example, differential Colpitts VCO [2],which validates the ISF theory.Finally,a summary of simulated results of differential Colpitts VCO is showed in Chapter 4. Index terms-Colpitts VCO,phase noise,time-variant 2
Abstract 2 Abstract During the last a few years, there has been tremendous growth in wireless mobile systems. This growth has placed stringent requirements on channel spacing and, by implication, on the phase noise of oscillators. Low noise oscillators are also highly desired in the digital world, of course. The continued drive toward higher clock frequencies translates into a demand for ever-decreasing jitter. Clearly, there is a need for a deep understanding of the fundamental mechanisms for the process of phase noise. Existing models generally offer only qualitative insights, however. This thesis focuses on a time-variant phase noise model. [1] This model is capable of making quantitative predictions of the phase noise of different types of oscillators. It also takes into account the effect of cyclostationary noise sources in a natural way. This work is divided into five chapters. The first offers a brief introduction of phase noise, while Chapter 2 reviews the existing models and pays emphasis on the time-variant phase noise model. Chapter 3 shows a design example, differential Colpitts VCO [2], which validates the ISF theory. Finally, a summary of simulated results of differential Colpitts VCO is showed in Chapter 4. Index terms—Colpitts VCO, phase noise, time-variant
第一章绪论 第一章 绪论 理想的振荡器输出频谱是一个脉冲函数，但是由于实际电路中存在各种噪声 源，振荡器输出的信号频谱特性都是频罩曲线，如图1.1(a)所示。电路中的噪 声源可以划分为两大类：器件噪声和外界干扰噪声，前者包括热噪声，闪烁噪声； 后者主要包括衬底和电源噪声。 振荡电路中器件的白噪声，在频偏较大的频率上产生1/f特性的相位噪声： 而器件的闪烁噪声在频偏较近的频率范围产生1/3特性的相位噪声。相位噪声 对射频信号的混频非常不利。很大的相位噪声会将很强的邻近干扰信号混频到信 道中，造成信号频谱的阻塞现象，从而降低了信道中的信噪比。 一个理想的正弦波可以表示为V()=Acos(@,1+),其中A为振幅，o,为振荡频 率，中为一个任意固定相位，因此其频谱特性为±，频率处的两个脉冲函数。实 际振荡器中的波形不可能是理想，而应该表示为， V(t)=A(t)f (+() (1.1) 其中振幅4)和相位)都是时间t的函数，f(~)是一个周期为2π的函数。由于 振幅4A)和相位()的波动，使得实际的振荡器的频谱在频率O,处有两个旁带。 通常用两种方法表示振荡器的频率波动：时间域的抖动时间(Jitting Time)和 频率域的相位噪声(Phase Noise)。信号的相位噪声通常表示为单边带噪声谱密 度与载波功率比(SSCR,Single Sideband-.to-Carrier Rate)。为了比较噪声性能 的方便，相位噪声往往表示为1Hz内单边带噪声谱密度与载波功率比值的分贝 形式(dBc/Hz), L{△o}=10-log (1.2) 其中△o为频率偏移量，P(o,+Ao,lH)为频率偏移量△o处1Hz内的单边带 噪声谱密度，P为载波能量。 式(1.2)包含了电路中的幅度噪声和相位噪声。通常幅度噪声量可以被限幅 电路或者电路的非线性降低甚至消除掉：而相位噪声是不能够通过任何电路去除 掉。因此在没有特别申明的情况下，我们只考虑振荡器的相位噪声。 3
第一章 绪 论 3 第一章 绪论 理想的振荡器输出频谱是一个脉冲函数，但是由于实际电路中存在各种噪声 源，振荡器输出的信号频谱特性都是频罩曲线，如图 1.1 (a)所示。电路中的噪 声源可以划分为两大类：器件噪声和外界干扰噪声，前者包括热噪声，闪烁噪声； 后者主要包括衬底和电源噪声。 振荡电路中器件的白噪声，在频偏较大的频率上产生 2 1/ f 特性的相位噪声； 而器件的闪烁噪声在频偏较近的频率范围产生 3 1/ f 特性的相位噪声。相位噪声 对射频信号的混频非常不利。很大的相位噪声会将很强的邻近干扰信号混频到信 道中，造成信号频谱的阻塞现象，从而降低了信道中的信噪比。 一个理想的正弦波可以表示为Vt A t out ( ) cos = (ω0 +φ ) ,其中 A 为振幅，ω0为振荡频 率，φ 为一个任意固定相位，因此其频谱特性为±ω0 频率处的两个脉冲函数。实 际振荡器中的波形不可能是理想，而应该表示为， V t At f t t out () () () = + (ω φ 0 ) (1.1) 其中振幅 A( )t 和相位φ( )t 都是时间 t 的函数， f (•) 是一个周期为2π 的函数。由于 振幅 A( )t 和相位φ( )t 的波动，使得实际的振荡器的频谱在频率ω0处有两个旁带。 通常用两种方法表示振荡器的频率波动：时间域的抖动时间(Jitting Time)和 频率域的相位噪声(Phase Noise)。信号的相位噪声通常表示为单边带噪声谱密 度与载波功率比(SSCR, Single Sideband-to-Carrier Rate)。为了比较噪声性能 的方便，相位噪声往往表示为 1Hz 内单边带噪声谱密度与载波功率比值的分贝 形式(dBc/Hz)， { } ( 0 ,1 ) 10 log sideband carrier P Hz L P ω ω ω ⎡ + Δ ⎤ Δ =⋅ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ (1.2) 其中Δω 为频率偏移量， P Hz sideband (ω ω 0 + Δ ,1 ) 为频率偏移量Δω 处 1Hz 内的单边带 噪声谱密度， Pcarrier 为载波能量。 式（1.2）包含了电路中的幅度噪声和相位噪声。通常幅度噪声量可以被限幅 电路或者电路的非线性降低甚至消除掉；而相位噪声是不能够通过任何电路去除 掉。因此在没有特别申明的情况下，我们只考虑振荡器的相位噪声
第一章绪论 Ideal Oscillator ◆ L{4o}◆ Actual Oscillator (2FKT (a)振荡器频谱 (b)相位噪声曲线 图1.1振荡器相位噪声的典型曲线 D.B.Leeson在1966年提出了一种经验噪声模型[3]， L{△o}=10log (1.3) 其中F是一个经验参数，通常称为器件的额外噪声系数，k是波尔滋曼常数，T为 绝对温度，P为谐振电路的平均功耗，。为振荡频率，Q,为有载条件下的谐振 品质因数，△o为频率偏移量，△@心为1和1P区域的拐点频率。 该模型是建立在电感电容谐振电路的线性时不变假设条件下，而且额外噪声 系数F必须通过测试得到，因此该模型方程(1.3)不具备进行相位噪声预先分析的 能力。该噪声模型的典型曲线如图1.1(b)所示，相位噪声的1R拐角频率点△ 与器件的1F噪声拐角频率点△@，相同，但是实际振荡器相位噪声测试表明△@心 与△ow是不等的，因此可以认为Leeson模型中的△o/r频率实际上是一个经验 拟合值，它并不具备任何物理意义。关于两个拐角点之间关系的详细分析将在第 二章中详细论述。 4
第一章 绪 论 4 D. B. Leeson 在 1966 年提出了一种经验噪声模型[3]， { } 3 2 2 0 1 10 log 1 1 2 f s L FkT L P Q ω ω ω ω ω ⎧ ⎫ ⎡ ⎤ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ Δ ⎪ ⎪ Δ = ⋅ ⋅+ ⋅+ ⎨ ⎬ ⎢ ⎥ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎢ ⎥ ⎝ ⎠ Δ Δ ⎩ ⎭ ⎪ ⎪ ⎣ ⎦ ⎝ ⎠ (1.3) 其中 F 是一个经验参数，通常称为器件的额外噪声系数，k 是波尔滋曼常数，T 为 绝对温度， Ps 为谐振电路的平均功耗，ω0 为振荡频率，QL 为有载条件下的谐振 品质因数，Δω 为频率偏移量， 3 1 f Δω 为 1/f3和 1/f2区域的拐点频率。 该模型是建立在电感电容谐振电路的线性时不变假设条件下，而且额外噪声 系数 F 必须通过测试得到，因此该模型方程(1.3)不具备进行相位噪声预先分析的 能力。该噪声模型的典型曲线如图 1.1(b)所示，相位噪声的 1/f3拐角频率点 3 1 f Δω 与器件的 1/f 噪声拐角频率点Δω1 f 相同，但是实际振荡器相位噪声测试表明 3 1 f Δω 与Δω1 f 是不等的，因此可以认为 Leeson 模型中的 3 1 f Δω 频率实际上是一个经验 拟合值，它并不具备任何物理意义。关于两个拐角点之间关系的详细分析将在第 二章中详细论述。 L{Δω} Δω 3 1 f 2 1 f 3 1 f Δω 2 10log s FkT P ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ Δω ω 0 1Hz Ideal Oscillator Actual Oscillator ω (a) 振荡器频谱 (b) 相位噪声曲线 图 1.1 振荡器相位噪声的典型曲线