科技改变生活,随着5G时代的到来,万物互联成为可能。其背后蓬勃发展的通信系统夯实了基础,高速率、低延时、稳定可靠的通信收发机则有着更为迫切的需求,电路设计者也面临全新的挑战。压控振荡器被视为电子电路的心脏,为系统提供本振或时钟信号;硅基工艺由于其廉价及卓越的数字兼容能力得到了广泛应用。然而硅基工艺本身噪声大、无源损耗高的缺陷使得硅基压控振荡器的性能受到限制。也正是因为此,硅基压控振荡器成为了学术和工业界的研究热点。对硅基压控振荡器的研究由来已久,新的结构、新的理论被陆续提出。本文首先总结了近几十年来一些经典的振荡器结构及分析理论,并根据分析结论总结了改善振荡器相噪的方法。此外,振荡器设计中无源器件的创新也越来越受到重视,许多基于新型电感和变压器的结构被提出。本文对无源器件进行了详细的阐述,并对关键的损耗机制及优化方法做了大量仿真验证。随后本文设计了一款7GHz的压控振荡器;该振荡器使用65nm CMOS工艺。为改善相噪性能提出了一种高Q值的F₂₃电感,该电感在与单端电容结合后,可以实现二次及三次谐波同时谐振;谐波的引入使振荡器对噪声敏感程度下降,因而可以显著的改善热噪声和闪烁噪声区域的相噪性能。该款振荡器芯片核心面积为300um×700um,在0.55-V的低供电电压下仅消耗5-mW功耗。经实测输出范围为6.8—7.66GHz,相对带宽为12%;对于6.8GHz的信号,在1-MHz频偏处的相噪为-117dBc/Hz,FOM达到了187dBc/Hz,而闪烁噪声拐点仅为200kHz。为解决低频频谱资源不足的困难,毫米波通信系统正在被积极开发。针对该应用场景,本文基于180-nm CMOS工艺设计了一款谐波复用的压控振荡器。在该芯片设计中将低频振荡器中的谐波进行复用,直接放大后得到毫米波输出信号;此外,为使版图布线方便且面积更紧凑,该芯片采用变压器进行设计。仿真数据显示与其他同等频段振荡器相比,谐波抑制能力提升至30dBc。得益于在源极产生了三次电压,因此也进行了谐波调谐,从而使相噪得到改善。对于24GHz信号,在1-MHz频偏处相噪为-106dBc/Hz,FOM达到了185dBc/Hz的较好水平。