CMOS毫米波压控振荡器的设计

发布时间：2020-06-10 15:59

【摘要】：伴随着无线通信产业的飞快发展,人们对于通讯系统带宽的要求也变得越来越高。鉴于在高频的微波频段拥有非常充足的频谱资源,现代通讯系统正向着高频微波特别是毫米波频段发展。毫米波通讯相较于之前比较传统的无线电短波、超短波以及微波的通讯,拥有许多独特的地方。因为毫米波波段介于微波波段与光波波段的中间(即毫米波的波长在微波波长与光波波长中间),因而其能够同时拥有微波与光波的一些优势。与此同时,毫米波在其传输过程中不易受到杂波的干扰,对尘埃及一些其他介质微粒具有较强的穿透能力,使得通讯过程相对稳定。CMOS工艺具备工艺简单、集成度高、速度快以及功耗低等一系列的优势,故一直以来成为了各类集成电路工艺的首选。本文分为以下几个部分。第一部分首先阐述了 CMOS毫米波压控振荡器的研究意义以及国内外的一些研究现状。第二部分介绍了毫米波压控振荡器的设计原理以及电感等一些无源器件的分析。最后,基于GF 65 nm CMOS工艺设计了一款宽频带的压控振荡器以及一款低相噪的压控振荡器。论文的主要研究工作如下:1、对宽频率范围的压控振荡器的设计进行了研究。可变电感的版图设计在ADS软件中实现,通过改变开关MOS管的开闭状态来控制电感线圈间的耦合系数,从而改变电感的感值;然后将电感生成SP模型放入基于Cadence平台设计的电路原理图中进行仿真与分析;最后实现的压控振荡器的振荡频率为137.87～162.34 GHz,功耗为15.64 mW,频偏1 MHz处的相位噪声为-86.63 dBc/Hz。与传统的可变电容阵列调谐方式相比,本文的压控振荡器具有比较大的频率调谐范围。2、对低相位噪声的正交压控振荡器的设计进行了研究。通过分析振荡器的相位噪声模型,选取合适的电路结构与元件,并运用尾电流优化、大电容滤波、谐振滤波等技术来提高LC压控振荡器的相位噪声性能。最后实现的压控振荡器的振荡频率为139.4～149.3 GHz,振荡幅值为0.1～2.1 V,功率范围大概是9.25～9.72 dBm,频偏1 MHz处的相位噪声为-91.83 dBc/Hz。与传统的压控振荡器相比,本文的压控振荡器具有较好的相位噪声性能。
【图文】：

变化曲线,有源器件,截止频率,毫米波集成电路

Ｙｅａｒ邋ｏｆ邋Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ逡逑图１．２不同工艺下的有源器件的截止频率随时间的变化逡逑图１．２所示的为不同工艺下的有源器件的截止频率随时间发展的变化曲线。逡逑前些年，由于化合物工艺制造的有源器件的截止频率／，比较高且其带宽和噪声逡逑性能在毫米波集成电路中展现出一定的优势，导致这些化合物工艺比较受大家欢逡逑迎。然而伴随着纳米技术的飞速发展，硅基毫米波互补金属氧化物半导体逡逑（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ邋Ｍｅｔａｌ邋Ｏｘｉｄｅ邋Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ：邋ＣＭＯＳ）工艺制造的有源器件的截逡逑止频率也逐渐达到了与化合物工艺相似的程度，加上ＣＭＯＳ工艺具备工艺简单、逡逑集成度高、速度快、功耗低等一系列的优势，ＣＭＯＳ工艺逐渐在毫米波集成电路逡逑占有重要位置，成为了各类集成电路工艺的首选［７］。逡逑１．１．３压控振荡器的研究意义逡逑近些年来，随着物联网技术和无线通信技术的飞快发展，人们对射频收发系逡逑统提出更高频率、更小尺寸、更低功耗

模型图,相位噪声,振荡器,人员

偏离载波频率的偏移量，相位噪声的单位为ｄＢｃ／Ｈｚ。逡逑随着人们对相位噪声的深入研究，逐渐发现采用原先功率比值方式去定义噪逡逑声，，难以剥落幅度噪声的影响，进而产生了相位噪声的新定义（如图２．８所示）：逡逑新的定义为由随机相位的波动导致的单边带谱密度的１／２，公式如下：逡逑Ｌ＾ｃｏ｝＝＼ｌ２ｘＳ＾ｆ）逦（２．１１）逡逑Ｓ0ｔＴ邋“逦Ｓ0ｔＴｉ邋ｔ逡逑逦１0逦Ａ逡逑图２．８相位噪声定义示意图逡逑到目前为止，研宄人员针对振荡器的相位噪声提出了许多模型，包括Ｌｅｅｓｏｎ逡逑模型、Ｃｒａｎｉｎｃｋｘ和Ｒａｚａｖｉ模型以及Ｈａｊｉｍｉｒｉ模型等。逡逑１９６６年，Ｌｅｅｓｏｎ提出了一种相位噪声计算公式：逡逑？邋ｆｌｒＴ邋（邋ｍ邋Ｖ邋（邋Ａ邋砂＂，逡逑Ｚ｛Ａ？｝邋＝邋１０－ｌｏｇｉ－￣－邋１＋邋—＾逦［逦Ｃ２．１２）逡逑１邋Ｊ逦［邋Ｐ，ｇ邋［邋［２ＱＡｃｏ）邋＼｛卜｜邋Ｊ逡逑其中，ｆ是指测量得到的经验值，ａ：是指玻尔兹曼常数，ｒ是指绝对温度，逡逑２是指振荡器谐振回路的品质因数，是指信号功率，％是指振荡器振荡频率，逡逑Ａ＜ｙ是指频率偏移量
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN752

【参考文献】