复旦大学：《微电子学与固体电子学》教学资源（博士学位论文）电感电容压控振荡器 LC Voltage-Controlled Oscillators

学校代码：10246 学号：011021361 復旦大等 博士学位论文 电感电容压控振荡器 LC Voltage-Controlled Oscillators 院 系：微电子系 专 业：电路与系统 姓 名：唐长文 指导教师：闵 吴教授 完成日期：2004年4月27日

学校代码： 10246 学 号： 011021361 博 士 学 位 论 文 电感电容压控振荡器 LC Voltage-Controlled Oscillators 院 系： 微 电 子 系 专 业： 电 路 与 系 统 姓 名： 唐 长 文 指 导 教 师： 闵 昊 教 授 完 成 日 期： 2004 年 4 月 27 日

LC Voltage-Controlled Oscillators by Zhangwen Tang B.S.(Electrical Engineering.Fudan University,Shanghai)1999 M.S.(Microelectronics,Fudan University,Shanghai)2001 A dissertation submitted in partial satisfaction of the Requirements for the degree of Doctor of Philosophy in Microelectronics in the GRADUATE DIVISION of the Fudan University,Shanghai Committee in charge: Professor Hao Min Professor Junyan Ren Professor Chengshou Sun Spring 2004 Copyright 2004,by Zhangwen Tang, All RIGHTS RESERVED

LC Voltage-Controlled Oscillators by Zhangwen Tang B.S. (Electrical Engineering, Fudan University, Shanghai) 1999 M.S. (Microelectronics, Fudan University, Shanghai) 2001 A dissertation submitted in partial satisfaction of the Requirements for the degree of Doctor of Philosophy in Microelectronics in the GRADUATE DIVISION of the Fudan University, Shanghai Committee in charge: Professor Hao Min Professor Junyan Ren Professor Chengshou Sun Spring 2004 Copyright 2004, by Zhangwen Tang, All RIGHTS RESERVED

摘要 摘要 近几年无线通信系统的蓬勃发展推动了低成本、低功耗CMOS无线收发机的研究与开 发。同时CMOS工艺技术的不断进步，使得无线收发机系统中大部分单元电路，如低噪声 放大器(LNA)、混频器(Mixer).、本机振荡器Local Oscillator)以及中频滤波器(F Filter)等都 能够单片实现。无源器件（片上电感和可变电容）的片上实现问题的解决，使得本机振荡器的 单片集成成为可能。 本论文系统论述了电感电容压控振荡器的理论和实现，并且深入浅出地研究了压控振荡 器设计中的许多关键技术。 首先，本文简单介绍了压控振荡器的基本原理和振荡器的分类，对窄频带，宽频带，正 交输出电感电容压控振荡器的电路实现方式进行了系统总结。 我们研究了硅基集成螺旋电感的仿真，设计与优化。系统总结了电感仿真的三种方法： 提出了电感中金属间寄生电容等效模型，并且具体计算了两种硅基串联叠层电感的等效电 容：提出了两种提高电感品质因数的技术：金属线多通路并联和深阱反偏双PN结。 其次，针对压控振荡器的频率一电压压控曲线分析问题，从时间域角度，本论文对电感 电容谐振电路的周期计算方法在理论上进行了系统推导，阐述了阶跃可变电容能够进行频率 控制的本质，得到了一种计算频率一电压压控曲线的有效方法。仿真和测试验证结果表明该 方法计算的压控曲线与仿真和测试结果非常吻合。 接着，我们对三种相位噪声模型：线性时不变模型，非线性时不变模型和线性相位时变 模型，进行了系统分析和概括。我们详细分析了振荡器的内在振荡机制，总结了振荡器设计 和优化的一般步骤，提出了振荡器设计中片上电感的最小R/L设计原则。从线性时不变噪 声模型出发，计算了压控振荡器相位噪声的极限值，并系统总结了几种相位噪声降低技术， 提出了感性压控端降噪技术。 最后，根据数字电视调谐器中频率综合器的性能指标要求，详细论述了在CSM0.35um CMOS射频/混合信号工艺上的两个电感电容压控振荡器的实现。 关键字：电感电容压控振荡器，片上螺旋电感，可变电容，电视调谐器，频率综合器，相位 噪声 电感电容压控振荡器 1

摘要 电感电容压控振荡器 I 摘要 近几年无线通信系统的蓬勃发展推动了低成本、低功耗 CMOS 无线收发机的研究与开 发。同时 CMOS 工艺技术的不断进步，使得无线收发机系统中大部分单元电路，如低噪声 放大器(LNA)、混频器（Mixer）、本机振荡器(Local Oscillator)以及中频滤波器(IF Filter)等都 能够单片实现。无源器件(片上电感和可变电容)的片上实现问题的解决，使得本机振荡器的 单片集成成为可能。 本论文系统论述了电感电容压控振荡器的理论和实现，并且深入浅出地研究了压控振荡 器设计中的许多关键技术。 首先，本文简单介绍了压控振荡器的基本原理和振荡器的分类，对窄频带，宽频带，正 交输出电感电容压控振荡器的电路实现方式进行了系统总结。 我们研究了硅基集成螺旋电感的仿真，设计与优化。系统总结了电感仿真的三种方法； 提出了电感中金属间寄生电容等效模型，并且具体计算了两种硅基串联叠层电感的等效电 容；提出了两种提高电感品质因数的技术：金属线多通路并联和深阱反偏双 PN 结。 其次，针对压控振荡器的频率－电压压控曲线分析问题，从时间域角度，本论文对电感 电容谐振电路的周期计算方法在理论上进行了系统推导，阐述了阶跃可变电容能够进行频率 控制的本质，得到了一种计算频率－电压压控曲线的有效方法。仿真和测试验证结果表明该 方法计算的压控曲线与仿真和测试结果非常吻合。 接着，我们对三种相位噪声模型：线性时不变模型，非线性时不变模型和线性相位时变 模型，进行了系统分析和概括。我们详细分析了振荡器的内在振荡机制，总结了振荡器设计 和优化的一般步骤，提出了振荡器设计中片上电感的最小 R L s 设计原则。从线性时不变噪 声模型出发，计算了压控振荡器相位噪声的极限值，并系统总结了几种相位噪声降低技术， 提出了感性压控端降噪技术。 最后，根据数字电视调谐器中频率综合器的性能指标要求，详细论述了在 CSM 0.35µm CMOS 射频/混合信号工艺上的两个电感电容压控振荡器的实现。 关键字：电感电容压控振荡器，片上螺旋电感，可变电容，电视调谐器，频率综合器，相位 噪声

摘要 Abstract LC Voltage-Controlled Oscillators by Zhangwen Tang Doctor of Philosophy in Microelectronics Fudan University,Shanghai,P.R.China The explosive growth in wireless communications has driven universities and companies to produce wireless transceivers at low-cost,low-power,and compact size.Recently,all of RF components,such as low-noise amplifiers (LNAs),mixer,local oscillators (LOs),and IF Filters,seem possible to be integrated in CMOS scaled technology.On-chip passive elements such as spiral inductors and varactors make on-chip implementation of LC-tank voltage-controlled oscillators(VCOs)easy. In this thesis,the theory and practice of LC VCOs are studied,and many key techniques in circuit implementation were explained in a simple way. First,this thesis briefly introduces the fundamental theory of oscillators and oscillator's class.All kinds of the circuit structures of narrowband,wideband,and quadrature-output LC-VCOs are also presented. The design,simulation and optimization of on-chip inductor are studied.Three methods of analysis and simulation of on-chip inductor are summarized briefly.We have proposed the effective capacitance model of two neighbor metals in on-chip inductors,and calculate the parasitic capacitance of serial multilayer inductors.In order to improve the quality factor of on-chip inductor,multipath metal structure and double reverse-biased PN junctions in deep-Nwell are proposed. Secondly,this thesis describes a new prediction method of tuning curves of a LC-tank VCO with period calculation technique.With this period calculation technique,the prediction of oscillator's tuning curves is more accurate compared with the traditional harmonic approximation.The simulation and measurement agree well with the results obtained from the theoretical analyses. We have studied three analysis methods of phase noise:linear time invariant(LTI),nonlinear time invariant(NTI)and linear phase time varying(LPTV).The underlying physics of LC oscillators is analyzed in detail.The general process of LC-VCOs'design and optimization is summarized,and we proposed the method of R/L minimization in the inductor selection.With linear time invariant(LTI) modeling of phase noise,we calculate the minimum phase-noise factor of LC VCOs,and summarize many techniques of lowering phase-noise.The inductive voltage control is proposed to lower the even harmonics in the oscillating voltage and to lower the phase noise,which comes from even harmonics. In the end,we have designed and tested two LC VCOs in CSM 0.35um RF/Mixed CMOS process, which are applied to the TV Tuner applications. Key Words:LC voltage-controlled oscillator,on-chip spiral inductor,varactor,TV tuner,frequency synthesizer,phase noise Ⅱ 电感电容压控振荡器

摘要 II 电感电容压控振荡器 Abstract LC Voltage-Controlled Oscillators by Zhangwen Tang Doctor of Philosophy in Microelectronics Fudan University, Shanghai, P.R.China The explosive growth in wireless communications has driven universities and companies to produce wireless transceivers at low-cost, low-power, and compact size. Recently, all of RF components, such as low-noise amplifiers (LNAs), mixer, local oscillators (LOs), and IF Filters, seem possible to be integrated in CMOS scaled technology. On-chip passive elements such as spiral inductors and varactors make on-chip implementation of LC-tank voltage-controlled oscillators (VCOs) easy. In this thesis, the theory and practice of LC VCOs are studied, and many key techniques in circuit implementation were explained in a simple way. First, this thesis briefly introduces the fundamental theory of oscillators and oscillator’s class. All kinds of the circuit structures of narrowband, wideband, and quadrature-output LC-VCOs are also presented. The design, simulation and optimization of on-chip inductor are studied. Three methods of analysis and simulation of on-chip inductor are summarized briefly. We have proposed the effective capacitance model of two neighbor metals in on-chip inductors, and calculate the parasitic capacitance of serial multilayer inductors. In order to improve the quality factor of on-chip inductor, multipath metal structure and double reverse-biased PN junctions in deep-Nwell are proposed. Secondly, this thesis describes a new prediction method of tuning curves of a LC-tank VCO with period calculation technique. With this period calculation technique, the prediction of oscillator’s tuning curves is more accurate compared with the traditional harmonic approximation. The simulation and measurement agree well with the results obtained from the theoretical analyses. We have studied three analysis methods of phase noise: linear time invariant(LTI), nonlinear time invariant(NTI) and linear phase time varying(LPTV). The underlying physics of LC oscillators is analyzed in detail. The general process of LC-VCOs’ design and optimization is summarized, and we proposed the method of Rs/L minimization in the inductor selection. With linear time invariant(LTI) modeling of phase noise, we calculate the minimum phase-noise factor of LC VCOs, and summarize many techniques of lowering phase-noise. The inductive voltage control is proposed to lower the even harmonics in the oscillating voltage and to lower the phase noise, which comes from even harmonics. In the end, we have designed and tested two LC VCOs in CSM 0.35µm RF/Mixed CMOS process, which are applied to the TV Tuner applications. Key Words: LC voltage-controlled oscillator, on-chip spiral inductor, varactor, TV tuner, frequency synthesizer, phase noise

致谢 致谢 在论文完成之际，我要感谢在三年博士学业完成过程中帮助和支持我的老师，同学和朋 友们。有了你们的热心帮助和支持，才有了本论文的顺利完成。首先要感谢我的导师闵昊教 授，在我五年实验室的研究和工作中的细心指导。他对科学研究的严谨作风，对学术问题的 洞察力，深深地影响了我：特别是他的处事为人及温和的脾气，使我五年中受益匪浅。 感谢孙承绶、张国权、周峰、李文宏老师对我在实验室学习和工作的大力帮助：感谢章 倩苓、任俊彦、郑增珏、杨莲兴、洪志良老师在研究方面的指点：感谢周电老师在论文紧要 关头的大力支持。 在论文完成过程中，与射频TV Tuner组的菅洪彦、何捷、舒适、杨丰林同学，RFID组 的李强、韩益锋同学，其他组的张海青、郭亚炜等同学，以及复旦一英飞凌联合实验室的其 他同学的学术交流与讨论，给我的帮助也是很大的，在此表示感谢。 这里也向为芯片提供流片和测试服务的上海集成电路设计研究中心的工程师，杭州电子 工业大学的孙玲玲、胡江老师，南京55所的李拂晓，朱震宇老师，以及上海微系统与信息 技术研究所的孙晓伟，钱容工程师表示诚挚的谢意。 本论文大部分工作是在复旦一英飞凌联合实验室中完成的，且受到上海市科学技术委员 会2003年集成电路设计创新项目(SDC)的部分资助，在此也表示感谢。 最后，感谢我的女朋友张洁的理解、支持和鼓励。有了你，才使得五年研究生生活变得 丰富多彩和充实。感谢永远尊重和支持我的爸爸、妈妈和姐姐，有了你们的关心，才有了今 天的我。 谨以本文献给我的女朋友张洁，我的父母和姐姐，以及所有爱我的人。 电感电容压控振荡器 Ⅲ

致谢 电感电容压控振荡器 III 致谢 在论文完成之际，我要感谢在三年博士学业完成过程中帮助和支持我的老师，同学和朋 友们。有了你们的热心帮助和支持，才有了本论文的顺利完成。首先要感谢我的导师闵昊教 授，在我五年实验室的研究和工作中的细心指导。他对科学研究的严谨作风，对学术问题的 洞察力，深深地影响了我；特别是他的处事为人及温和的脾气，使我五年中受益匪浅。 感谢孙承绶、张国权、周峰、李文宏老师对我在实验室学习和工作的大力帮助；感谢章 倩苓、任俊彦、郑增珏、杨莲兴、洪志良老师在研究方面的指点；感谢周电老师在论文紧要 关头的大力支持。 在论文完成过程中，与射频 TV Tuner 组的菅洪彦、何捷、舒适、杨丰林同学，RFID 组 的李强、韩益锋同学，其他组的张海青、郭亚炜等同学，以及复旦－英飞凌联合实验室的其 他同学的学术交流与讨论，给我的帮助也是很大的，在此表示感谢。 这里也向为芯片提供流片和测试服务的上海集成电路设计研究中心的工程师，杭州电子 工业大学的孙玲玲、胡江老师，南京 55 所的李拂晓，朱震宇老师，以及上海微系统与信息 技术研究所的孙晓伟，钱容工程师表示诚挚的谢意。 本论文大部分工作是在复旦－英飞凌联合实验室中完成的，且受到上海市科学技术委员 会 2003 年集成电路设计创新项目(SDC)的部分资助，在此也表示感谢。 最后，感谢我的女朋友张洁的理解、支持和鼓励。有了你，才使得五年研究生生活变得 丰富多彩和充实。感谢永远尊重和支持我的爸爸、妈妈和姐姐，有了你们的关心，才有了今 天的我。 谨以本文献给我的女朋友张洁，我的父母和姐姐，以及所有爱我的人