【摘 要】
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毫米波频率综合器在5G通信和汽车雷达等领域具有广泛的应用前景。频率综合器作为通信系统中的关键模块,为收发机提供本振信号,决定了通信系统信号传输质量。本文设计了一款毫米波数控振荡器及其后级电路,可将其应用在基于计数器结构的全数字频率综合器中。本文首先对数控振荡器的指标和电路结构进行分析,并根据指标要求确定了适合的数控振荡器电路结构。为了提高数控振荡器工作频率和调谐范围,本文采用了一种基于数字控制人工
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毫米波频率综合器在5G通信和汽车雷达等领域具有广泛的应用前景。频率综合器作为通信系统中的关键模块,为收发机提供本振信号,决定了通信系统信号传输质量。本文设计了一款毫米波数控振荡器及其后级电路,可将其应用在基于计数器结构的全数字频率综合器中。本文首先对数控振荡器的指标和电路结构进行分析,并根据指标要求确定了适合的数控振荡器电路结构。为了提高数控振荡器工作频率和调谐范围,本文采用了一种基于数字控制人工电介质（digital controlled artificial dielectric,Di CAD）差分传输线技术的可变电容器,减小了数控振荡器的寄生电容和版图面积。考虑到相位噪声和调谐范围的要求,使用了全NMOS差分耦合LC振荡器的结构。为了提高调谐精度、降低量化噪声的影响,精调控制部分采用变压器耦合的方式接入谐振腔。数控振荡器工作在0.9V电源电压下,为了适应低电压工作环境并改善相位噪声,本设计未引入尾电流源,并采用相位噪声优化技术对相位噪声进行了优化。接着进行了注入锁定分频器（injection locked frequency divider,ILFD）及其接口电路的设计。为了满足数控振荡器的工作频率和调谐范围,注入锁定分频器采用耦合振荡器技术来提高其分频范围和工作频率。接口电路采用无源巴伦结构实现差分信号到单端信号的转换。基于40nm CMOS工艺,给出了详细的电路设计、版图设计和仿真结果。后端仿真结果表明,该数控振荡器的工作频率范围为80.75～87.9GHz,通过采用片上变压器耦合技术实现了2.5MHz的频率调谐精度,频偏1MHz和10MHz时相位噪声为-93.23d Bc/Hz和-114.05d Bc/Hz,核心电路版图面积约为0.23×0.13mm~2。注入信号幅度为300m V时,注入锁定分频器的分频范围约为76～93GHz。在频率80.75～87.9GHz的频率范围内,巴伦的幅度不平衡度ζ小于1d B,相位不平衡度Θ小于1°。
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