随着无线技术与集成技术的高速发展,硅基片上频率源由于其极低的成本以及高集成度而得到广泛的应用。作为无线系统中的关键模块,频率源的频率覆盖范围与相位噪声特性制约着无线系统的性能。随着频率上升至毫米波频段,片上频率源设计面临着诸多挑战。本文针对频率源工作原理与设计方法进行了深入研究,提出了多项宽带多模振荡器、锁相环架构与技术,基于先进硅基CMOS工艺所研制的一系列频率源芯片,实现了业界领先的性能水平。本文主要贡献与创新点主要体现在以下几个方面:1、毫米波宽带低相噪振荡器研究。针对毫米波频段宽带高性能振荡器设计挑战,提出了一种双模电压波形整形振荡器技术。通过模式切换多阶谐振器,在毫米波频段实现两个频率模式的电压波形整形,从而在宽带范围降低了相位噪声。基于此技术在28-nm CMOS工艺上研制出一款宽带振荡器,频率范围20.7至31.8GHz,在10 MHz频偏处,相位噪声达–127.4 d Bc/Hz,对应相位噪声综合优值Fo M为188.2 d Bc/Hz。2、模式倍增多核振荡器研究。针对模式切换振荡器尺寸较大与难以实现较多模式的难题,提出了一种基于电磁混合耦合的模式倍增技术。通过电磁混合耦合谐振器与二维模式切换电路,使多核阵列振荡器能同时支持相位噪声抑制与频宽范围扩展,从而将相位噪声降低了近6 d B,并同时实现四模宽带覆盖。基于40-nm CMOS工艺研制出一款频率范围18.6至40.1 GHz,相对频宽73.2%的毫米波振荡器,在毫米波频段实现优于200 d Bc/Hz的频宽综合优值Fo MT。3、太赫兹宽带Push-Push振荡器研究。针对太赫兹振荡器宽带覆盖与小型化的需求,提出了基于变压器等效电容扩展技术的Push-Push振荡器,实现芯片小型化,核心尺寸仅为0.01 mm2;并进一步发展出基于电感耦合环与电容模式切换的双模谐波抽取技术,实现了宽带二次谐波振荡频率的输出,缓解太赫兹频段频率范围与相噪性能的设计折中。采用28-nm CMOS工艺研制出一款中心频率169.6GHz,相对频宽21.7%的振荡器,频宽综合优值Fo MT为180.6 d Bc/Hz。4、毫米波模式切换正交振荡器研究。针对正交振荡器正交相位误差与相位噪声难以同时优化的难题,提出了一种基于模式切换的正交振荡器技术。可在宽带范围内同时实现正交相位误差与相位噪声的优化,并且能抑制正交耦合管闪烁噪声对相位噪声的影响。基于此技术在28-nm CMOS工艺上研制出一款宽带正交振荡器,频率范围22.8至33.9 GHz,正交相位误差0.5°至1.2°。5、毫米波宽带低相噪锁相环研究。针对毫米波宽带频率源复杂度高、功耗较大的问题,提出了一种级联式多模亚采样锁相环架构。通过将亚采样锁相环低相噪多分频比例机制与多模振荡器宽带模式切换技术相结合,实现锁相范围的拓展与宽带频率合成。基于此技术在28-nm CMOS工艺上研制出一款毫米波宽带正交小数分频频率源芯片,工作频段覆盖22.8至33.9 GHz,积分抖动为306 fs,功耗41.7 m W,采用52 MHz普通参考晶振,有效降低系统成本。