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研究生:吳國豪
研究生(外文):WU, KUO-HAO
論文名稱:主動式電感壓控振盪器及具有增益控制和干擾抑制之寬頻低雜訊放大器
論文名稱(外文):The VCO Based on Active-Inductor and The Wideband LNA with Gain Control and Interference Rejection
指導教授:王三輔
指導教授(外文):WANG, SAN-FU
口試委員:黃育賢陳華彬
口試委員(外文):HWAG, YUH-SHYANCHEN, HUA-PIN
口試日期:2015-07-15
學位類別:碩士
校院名稱:明志科技大學
系所名稱:電子工程系碩士班
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2015
畢業學年度:103
語文別:中文
論文頁數:64
中文關鍵詞:主動式電感壓控振盪器干擾抑制技術低雜訊放大器
外文關鍵詞:Active-inductorVoltage-controlled oscillatorInterference rejection technologyLow noise amplifier
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近幾年無線通訊迅速發展,使的許多電子產品皆使用到無線通訊系統。在無線通訊系統中包含了許多部份,本論文將針對壓控振盪器與低雜訊放大器來做研究。
在壓控振盪器的部分,本論文使用主動式電感(Active-Inductor)取代傳統螺旋電感的方法來達到降低佈局面積與生產成本,其方法可以得到相當於傳統電感的感值與線性度;而在控制頻率方面,採用電流控制來改善電容二極體(Varicap)所佔的佈局面積。本論文電路在設計上採用TSMC 0.18um RF CMOS製程參數設計,並使用Cadence Virtuoso Spectre Circuit Simulator進行模擬與驗證。本論文所設計的主動式電感壓控振盪器調頻範圍1.061GHz~1.127GHz,調變頻寬為66 MHz,操作電壓於1.8V,輸出功率-2.78 dBm,相位雜訊-112.03@1MHz dBc/Hz,FOM(Figure Of Merit)為-157.72@1MHz dBc/Hz,振盪器面積為0.197X0.205mm2,總消耗功率為34.15mW。
在低雜訊放大器部分,本論文採用電流分配技術與品質因素調變的方法來達到干擾抑制效果,此方法可以得到大範圍的增益控制,將兩種技術並用控制時將可在固定增益下達到良好的干擾抑制特性。此部分也相同使用TSMC 0.18um RF CMOS製程技術進行設計,操作電壓於1.8V操作頻率在2.6GHz,模擬結果增益控制範圍為14.5dB~46.2dB,輸入反射係數(S11)小於-18.9dB,雜訊指數(NF)為1.25dB和三次諧波交互調變截止點(IIP3)為4.52dBm,則功率消耗在23.85mW~28.17mW。
Wireless communication systems are developing rapidly and are used by many electronic products containing many components. In this thesis, we study the voltage-controlled oscillator (VCO) and low-noise amplifier (LNA).
With respect to VCO, we replace conventional spiral inductors with active inductors to reduce layout area and production costs and achieve performance and linearity equal to that of the conventional spiral inductors. In addition, we use frequency control as current control technology to improve the use of the varicap in the layout area. We use a TSMC 0.18-um radio frequency complementary metal-oxide semiconductor (RF CMOS) process parameters to design the circuit, and Cadence Virtuoso Spectre circuit simulator tool is used for simulation and verification. The active inductor VCO design has a DC supply voltage of 1.8 V, frequency control ranging 1.061–1.127 GHz, a tuning frequency of 66 MHz, an output power of −2.78 dBm, a phase noise offset frequency at 1 MHz of −112.03 dBc/Hz, a figure of merit at 1 MHz of −157.72 dBc/Hz, a VCO layout area of 0.197 × 0.205 mm, and a total power consumption of 34.15 mW.
The LNA adjusts the current distribution and output impedance to eliminate interference. With our method, we can obtain a wide range of gain control. In combination, these the two techniques eliminate interference in the fixed gain. We use TSMC 0.18-um RF CMOS process parameters to design the circuit, and the Cadence Virtuoso Spectre circuit simulator tool is used for design and simulation. The LNA is designed with a DC supply voltage of 1.8 V, a center frequency of 2.6 GHz, simulated gain control ranging 14.5–34.2 dB, an input return loss average of −18.9 dB, noise of 1.25 dB, an IIP3 of 4.52 dBm, and total power consumption ranging 23.85−28.17 mW.

明志科技大學碩士學位論文指導教授推薦書 i
明志科技大學碩士學位論文口試委員審定書 ii
誌謝 iii
中文摘要 iv
英文摘要 v
目錄 vi
表目錄 viii
圖目錄 ix
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機與目的 2
1.3 論文架構 2
第二章 壓控振盪器基本理論 3
2.1 振盪器簡介 3
2.2 振盪器基本結構 3
2.2.1 環形振盪器(Ring Oscillators) 3
2.2.2 電感電容振盪器(LC Oscillators) 4
2.3 振盪器基本參數 6
2.3.1 相位雜訊(Phase Noise) 6
2.3.2 調諧範圍(Tuning Range) 7
2.3.3 諧波抑制量(Harmonic Rejection) 7
2.3.4 線性度(Linearity) 7
2.3.5 輸出振幅(Output Swing) 7
2.3.6 功率消耗(Power Consumption) 7
2.4 主動式電感電路原理分析 8
第三章 主動式電感壓控振盪器 9
3.1 簡介 9
3.2 電路設計原理 10
3.2.1 主動式電感 11
3.2.2 振盪頻率控制 12
3.2.3 降低製程成本 13
3.3 電路模擬結果 13
3.4 電路量測結果 15
3.5 延伸改善–低功耗主動式電感振盪器 20
3.5.1 簡介 20
3.5.2 電路設計原理 20
3.5.3 電路量測結果 21
3.6 比較與討論 25
第四章 低雜訊放大器基本理論 26
4.1 雜訊種類 26
4.1.1 熱雜訊 26
4.1.2 散射雜訊 27
4.1.3 閃爍雜訊 28
4.1.4 電晶體雜訊 28
4.2 雜訊指數 29
4.3 S-參數 31
4.4 阻抗匹配 32
4.5 穩定度 34
4.6 線性度 34
4.7 1dB增益壓縮點 35
4.8 交互調變失真 36
第五章 具有增益控制和干擾抑制寬頻低雜訊放大器 38
5.1 簡介 38
5.2 設計原理 38
5.2.1 寬頻帶輸入阻抗匹配 39
5.2.2 增益控制技術 40
5.2.3 抗干擾特性改善 44
5.4 模擬結果 45
第六章 結論與未來展望 50
參考文獻 51

表 目 錄
表3-1 本次研究模擬與實際量測結果 19
表3-2 比較圖3-3及圖3-19主動式電感VCO實 25
表5-1 圖5-1低雜訊放大器 49

圖 目 錄
圖1-1 無線收發系統示意圖 1
圖2-1 振盪器回授系統 3
圖2-2 簡易環形振盪器 4
圖2-3 虛阻抗與頻率分析圖 4
圖2-4 (a)RLC振盪電路 (b)含負電阻電路補償 5
圖2-5 過阻尼訊號衰減示意圖 6
圖2-6 欠阻尼訊號放大示意圖 6
圖2-7 (a)迴轉器電路(Gyrator Circuit)架構 (b)迴轉器等效圖 8
圖3-1 LC差動壓控振盪器電路 9
圖3-2 TSMC電感與變容電容佈局圖 10
圖3-3 主動式電感壓控振盪器電路 10
圖3-4 主動式電感架構 11
圖3-5 小訊號等效電路 11
圖3-6 (a)負電阻電路 (b)RLC等效電路 12
圖3-7 電路模擬與寄生負載電路 13
圖3-8 VCO調變電壓與輸出頻率變化圖 13
圖3-9 VCO在 下的相位雜訊 14
圖3-10 VCO在 下的相位雜訊 14
圖3-11 主動式電感壓控振盪器佈局圖 15
圖3-12 主動式電感壓控振盪器晶片照 16
圖3-13 模擬和實際的調變電壓與輸出頻率比較圖 16
圖3-14 主動式電感壓控振盪器輸出功率 17
圖3-15 輸出功率對多次諧波比較 17
圖3-16 VCO相位雜訊量測結果 18
圖3-17 VCO相位雜訊量測結果與模擬結果比較 18
圖3-18 VCO在 輸出量測波形 19
圖3-19 低功耗主動式電感振盪器 20
圖3-20 低功耗主動式電感壓控振盪器晶片照 21
圖3-21 VCO調變電壓與輸出頻率變化圖 22
圖3-22 VCO調變電壓與輸出頻率變化圖 22
圖3-23 VCO輸出功率 23
圖3-24 輸出功率對多次諧波 23
圖3-25 VCO相位雜訊量測結果 24
圖3-26 輸出波形量測結果 24
圖4-1 雜訊功率頻譜分布圖 26
圖4-2 電阻熱雜訊等效圖 27
圖4-3 MOS汲極電流雜訊模型 29
圖4-4 MOS閘極電流雜訊模型 29
圖4-5 放大器雜訊模型 30
圖4-6 雙級放大器雜訊模型 30
圖4-7 多級放大器雜訊模型 31
圖4-8 雙埠網路 31
圖4-9 阻抗匹配基本架構 33
圖4-10 非理想訊號放大器 35
圖4-11 1dB壓縮點示意圖 36
圖4-12 雙頻輸入輸出訊號放大器 37
圖4-13 三階交互調變失真截止點 37
圖5-1 本文所推薦的低雜訊放大器 39
圖5-2 源極電感退化放大器架構 40
圖5-3 低雜訊放大器電流分配電路 41
圖5-4 簡易電流分配電路架構 41
圖5-5 電流分配控制增益曲線示意圖 43
圖5-6 三位元負電阻電路圖 44
圖5-7 品質因素改善控制增益曲線示意圖 44
圖5-8 整合兩種技術增益控制示意圖 45
圖5-9 低雜訊放大器在不同增益控制下輸入反射系數 45
圖5-10 電流分配模式增益變化模擬結果 46
圖5-11 品質因素模式增益變化模擬結果 46
圖5-12 增益最大與最小模擬結果 47
圖5-13 在最大增益下雜訊指數模擬結果 47
圖5-14 在最小增益下的三次諧波輸入截止點模擬結果 48
圖5-15 干擾抑制特性透過兩種增益控制調變模擬結果 48

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