【摘 要】
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5G通信使用更高的频段,并将频率范围扩展到毫米波段,为其带来了更快的速度,更低的延迟,更宽的频带。它将主要应用于无人驾驶汽车技术中的毫米波雷达模块中,为无人驾驶系统提供实时的路况,车况信息,提高驾驶的安全性和可靠性。目前主流的汽车生产商已经跟进研发,国内也有一些新兴的芯片设计公司主攻毫米波汽车雷达模块。但是频率升高带来性能提升的同时也意味着对通信质量更高的要求:锁相环系统的相位噪声要更低。对于压控
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5G通信使用更高的频段,并将频率范围扩展到毫米波段,为其带来了更快的速度,更低的延迟,更宽的频带。它将主要应用于无人驾驶汽车技术中的毫米波雷达模块中,为无人驾驶系统提供实时的路况,车况信息,提高驾驶的安全性和可靠性。目前主流的汽车生产商已经跟进研发,国内也有一些新兴的芯片设计公司主攻毫米波汽车雷达模块。但是频率升高带来性能提升的同时也意味着对通信质量更高的要求:锁相环系统的相位噪声要更低。对于压控振荡器（VCO）模块而言,其主要贡献锁相环带宽外的相位噪声,因此,低相位噪声的毫米波段VCO设计至关重要。本文首先介绍了毫米波压控振荡器的研究背景和意义,以及近些年来国内外的研究方向和成果;接着介绍了压控振荡器的基本理论,主要包括了基本工作原理,主要电路性能指标以及关键无源器件的设计;最后重点研究了压控振荡器的相位噪声理论,对相位噪声的来源,两种分析相位噪声转化机制的模型包括线性时不变模型,线性时变模型进行了详尽的分析,并创新性的对线性时不变模型结合大信号仿真对公式进行了修正,使其不仅能直观的描述相位噪声机制,同时也能更加准确的对相位噪声数值进行计算。本文的第一个设计是基于原子钟锁相环应用的工作频率为4.6GHz的Class-B型VCO设计,采用TSMC 65nm CMOS工艺,在实际测试中,设计的VCO功耗为4m W,频率覆盖范围为4.32GHz-4.72GHz,当VCO输出4.6GHz信号时,相位噪声达到了-97dBc/Hz@100KHz,-119.5dBc/Hz@1MHz。对二次谐波的抑制达到了32dB。芯片的面积为400um*450um。本文的第二个设计是基于5G高频的应用背景下,工作频率为25.8GHz的低相位噪声的Class-F型VCO,基于TSMC 65nm CMOS工艺,经过测试,VCO输出25.8GHz信号时,其相位噪声为-109.1dBc/Hz@1MHz;VCO相对调节带宽为24GHz-28.5GHz,17.4%;核心功耗为11.47m W,FOM值为186.7dB;核心芯片面积为0.13mm~2。
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