【摘 要】
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随着CMOS工艺节点的进步,LC振荡器和分布式振荡器因低噪声、低抖动和低偏移、多相位等特点,被广泛应用于各种无线通讯收发系统中。然而在毫米波频段,因为变容管极低的品质因数和晶体管噪声所带来的影响,相位噪声和调谐范围是制约传统振荡器结构进一步发展的重要原因。同时,由于毫米波集成电路中无源器件的性能严重依赖于金属层的厚度,而数字电路倾向于使用更薄的金属来减小对线宽线距的要求,所以实现毫米波振荡器与大规
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随着CMOS工艺节点的进步,LC振荡器和分布式振荡器因低噪声、低抖动和低偏移、多相位等特点,被广泛应用于各种无线通讯收发系统中。然而在毫米波频段,因为变容管极低的品质因数和晶体管噪声所带来的影响,相位噪声和调谐范围是制约传统振荡器结构进一步发展的重要原因。同时,由于毫米波集成电路中无源器件的性能严重依赖于金属层的厚度,而数字电路倾向于使用更薄的金属来减小对线宽线距的要求,所以实现毫米波振荡器与大规模数字逻辑电路的全集成十分困难。因此本文主要采用标准CMOS工艺,克服顶层薄金属所带来的损耗,优化无源器件以及电路结构,使振荡器达到可观的性能指标。围绕这一主题,为应对不同场景下的需求,本文就LC振荡器和分布式振荡器这两个振荡器类别,从基本工作理论、电路结构改进和系统应用三个维度进行研究。本文完成了基于多峰值可调谐谐振腔的宽带LC振荡器、基于数字控制人工电介质开关的驻波振荡器和多相位旋转行波振荡器三款时钟产生电路,最后将其中两款振荡器分别应用在毫米波发射机和环形器中,几项工作均通过流片验证和测试。论文的主要工作和创新点如下:本文首先针对相位噪声和调谐范围,提出了一种基于多峰值可调谐谐振腔的宽带LC振荡器。通过使用1:1的堆叠型变压器,固定原线圈和副线圈两边电容阵列在调谐过程中的电容比例,使得谐振腔在差模和共模下所产生的三个谐振峰值一直位于ω0、2ω0和3ω0处,在整个调谐范围内都保持了F2,3类振荡器低相位噪声的有效性。该振荡器采用55 nm标准CMOS工艺流片验证。中心频率为14.52 GHz,调谐范围为22%,1 MHz偏移处相位噪声为-108.62 d Bc/Hz。振荡器的核心功耗为15 m W,Fo M和Fo MT分别为-180.10 d Bc/Hz和-186.80 d Bc/Hz。本文针对传统驻波振荡器中电容阵列调谐能力有限的问题,提出了基于数控人工电介质开关的驻波振荡器。通过利用人工电介质开关传输线,在不占用额外面积的前提下扩大了调谐范围,有效地利用了驻波振荡器中差分传输线的结构优势,并保持了驻波振荡器的分布式特性。该振荡器的工作范围为19.2 GHz至21.6 GHz,子频带为300 MHz。19.47 GHz的工作频率下,1 MHz频偏处的相位噪声为-104.7 d Bc/Hz。这个振荡器（包含缓冲器）的功耗为7.5 m W,Fo M和Fo MT分别为-181.8 d Bc/Hz和-183.3 d Bc/Hz。同时还针对环形器中对多相位时钟的需求设计了一款旋转行波振荡器,采用55 nm标准CMOS工艺进行流片验证。可获得工作频率为26.8-28.7 GHz的正交信号,正交相位误差小于4.7?,在1 MHz偏移处的相位噪声可达-95.2 d Bc/Hz。本文还对振荡器在发射机和全双工环形器中的应用进行了研究。将前面所提出的基于多峰值可调谐谐振腔的宽带LC振荡器与倍频器、驱动放大器和调制器组成了一套Ka波段发射机系统,具有-10 d Bm的输出功率和OOK调制功能。此外,在实现双工器过程中针对传统时变传输线在高频处的损耗问题,探索性地提出了一种具有载波增强技术的时变传输线。通过提高载波幅度,使变频增益的提升最大可达10 d B,进而降低了射频前端电路的噪声。此外,针对其调制指数低的缺点,还对时空电导率调制环形器进行了研究。通过将可产生正交信号的旋转行波振荡器作为片上信号源,实现了一款全集成的非磁性无源环形器。该环形器工作在9 GHz频段,ANT到RX、TX到ANT的插入损耗分别低至3.9 d B、2.5 d B,TX到RX隔离度为13.4–18.1 d B。
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