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摘 要

本文设计了一种LC压控振荡器,该压控振荡器基于TSMC 0.18μmCMOS工艺，振荡器包含由片上螺旋电感与可变电容组成的LC谐振腔，以及两组分别由PMOS管和NMOS管组成的负阻单元。通过Cadence仿真环境对LC压控振荡器进行了物理实现与仿真验证，仿真结果表明：振荡频率为1.523，它的调节范围为1.311-1.941，它的调节增益为0.44。

关键词：环形振荡器，LC振荡器，CMOS工艺，相位噪声

Abstract: In this paper,I design a LC voltage-controlled oscillator , which is based on TSMC 0.18 μmCMOS technology. The oscillator contains a LC resonator composed of on-chip spiral inductor and variable capacitance, and two groups of negative resistance units composed of PMOS tube and NMOS tube, respectively. The physical implementation and simulation verification of LC voltage-controlled oscillator are carried out by Cadence simulation environment. The simulation results show that the frequency of the oscillator is 1.523, its adjustment range is 1.311 - 1.941, and its adjustment gain is 0.44.

Keywords: Ring oscillator, LC oscillator, CMOS process, Phase noise

目 录

1 引言 3

1.1 压控振荡器的背景与意义 3

1.2 CMOS工艺 3

1.3 Cadence 简介 4

1.4 论文工作安排 6

2 压控振荡器的分类 6

2.1 环形振荡器（Ring Oscillator） 6

2.2 LC-VCO 7

3 压控振荡器设计基础 7

3.1 压控振荡器的基本原理 7

3.2 压控振荡器的性能参数 8

3.3 相位噪声的特性 9

3.4 来源与优化方式 11

4 压控振荡器的设计 12

4.1 LC压控振荡器的电路设计与实现 12

4.2 LC-VCO电路结构 15

4.3 基于CMOS电路具体实现 16

结论 19

参 考 文 献 20

致 谢 21

1 引言

随着5G的商用，6G的概念的出现，通信系统的发展越来越快。而振荡器简单地来说是频率产生器，用在锁相环中。而锁相环最典型的应用是通信信号的同步。同步的话，就相当于一个简单的通信协议，信号的发送方（信源）和接收方（信宿）都必须要遵守同一个协议，通信行为就能完成。否则，就会出现混乱，语音业务、视频业务和数据业务就会出现不同类型的失真。因此，振荡器的稳定对于通信系统来说至关重要。

在《通信原理》中，所谓载波同步就是调制信号乘上载波，在解调部分用相同的载波（相干载波）来进行恢复信号。因为没有门限效应，相干解调的性能要好于非相干解调（包络解调）。作为代价，相干解调的设备复杂度要比非相干解调的设备复杂，而复杂的关键就在于相干解调要还原出一个严格同步的载波，这时候就需要振荡器的稳定性了。

1.1 压控振荡器的背景与意义

近几年无线通讯系统飞速发展,给经济社会和人类生活带来了巨大的变化。在无线收发机中，恰恰压控振荡器（VCO）扮演着不可或缺的角色。压控振荡器用途广泛，一直应用在多种领域中，比如通信、电子及医学等。在早期，无线电技术还未成熟时，发射机和超外差接收机中都使用了压控振荡器。

伴随着CMOS工艺按照摩尔定律的不断发展,工艺特征尺寸已经降到45nm以下。由于其集成度高,功耗低,面积小，所以常常成为人们研究的热点。

1.2 CMOS工艺

1. 简介

距离工艺流程硅双极工艺研发成功仅仅3年，就研发出另一种工艺，这种工艺同双极集成电路各具优劣势，且各自有适合的应用场合。这种技术就是硅平面MOS工艺技术，并制成了MOS集成电路。由此双极集成工艺和MOS集成工艺便齐头平行发展。

MOS工艺集成技术的发展，也是一个由简入繁的过程，应用于不同领域。集成度高，功耗高，对大规模的集成电路而言，一般的MOS工艺是无法满足的。那个时代的CMOS工艺复杂并且性能差，好在CMOS器件的功耗低，因此集成度高，恰恰能够满足大规模的集成电路设计，可以解决功耗问题。这种工艺很快应用在数字集成电路领域，并最终替代了NMOS工艺。

随着数字集成电路生活的发展，目前集成技术的突破几十纳米领域。CMOS数字集成电路的主流技术，不仅提升数字电路集成密度。而且模拟电路也依靠它来制作多晶硅模拟开关电容器电路，其特征在于模拟CMOS技术通过简单的过程，就有很多的优势，如低功耗，高集成度，低的芯片尺寸和成本低。微控制器的模拟和数字电路，都是用互补性技术制造的。自2003年以来，CMOS技术的一些一般性的A/D转换器的低功率的无线通信系统，包括高频模拟和数字中频。硅双极技术制造的高频模拟，中频采用BICMOS技术制造的硅和其他（DSP）的硅CMOS技术制造的。然而，现代通信系统继续用高频率，低功耗，低失真，低噪声，小型化、低价格等特性对通信系统的电路，只有它满足应用的需求。因此，它的不断发展和竞争进步，硅CMOS技术是一个最全面的技术优势^[1]。

1. 工艺流程

一个简要的CMOS晶体管的形成过程：

（1）初始清洗

目的：防止晶体表面杂质影响后面工序。

（2）前置氧化

目的：为了降低氮化硅与晶体之间的应力。

（3）淀积氮化硅

目的：用来作为后面离子注入的表层。

（4）0形成P阱

操作：将准备P阱的光刻胶去除。

（5）去除晶体表面氮化硅。

将P阱离子注入晶体中形成P阱，再去除光刻胶，再对P阱退火。

（6）再形成N阱，过程类似。

（7）利用氮化硅淀积与光刻胶曝光形成元件隔离区。

（8）氧化区去除氮化硅，再铺上二氧化硅膜，用氢氟酸去除电极区域的氧化层，再热氧化形成电极氧化层。

（9）为了有连接导线的电极再在晶体表面铺上多晶硅，涂上光刻胶曝光后，就有了电极掩膜。

（10）利用活性离子刻蚀出电极结构后，去除光刻胶，再氧化，就有了源极和漏极。

（11）后面再铺上氧化层保护器件，然后利用退火、光刻蚀形成接触孔。

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