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基于CMOS工艺的毫米波压控振荡器芯片设计电子工程学院电子科大学成都中国答辩人：唐攀学号：201221020150导师：康凯教授硕士毕业答辩电子科技大学内容提要毫米波通信芯片研究意义1234结论与展望5压控振荡器的基本原理相位噪声模型及分析电路设计实现1内容提要毫米波通信芯片研究意义1234结论与展望5压控振荡器的基本原理相位噪声模型及分析电路设计实现1无线通信技术对人类生活的影响377GHz94GHz2.4GHz1.8GHz60GHz……KaKu…X…1997199920032012802.15.1802.11.b802.11.a/g11050802.11.n3001000802.15.3a802.11.ad57GHz~66GHz802.11.aj57GHz~66GHz42GHz~48GHzWMANWPAN...过去10年里，高速无线通信标准的传输速率提高了近1000倍。频率源在无线系统中的作用4频率源提供本振信号；相位噪声对通信链路信号质量至关重要。内容提要毫米波通信芯片研究意义1234结论与展望5压控振荡器的基本原理相位噪声模型及分析电路设计实现5振荡器的基本模型6+-H(s)XY双端口反馈模型单端口能量补偿模型巴克豪森准则：交叉耦合对结构分析7中心频率频率调谐范围相位噪声调谐线性度功耗毫米波VCO的指标参数：内容提要毫米波通信芯片研究意义1234结论与展望5压控振荡器的基本原理相位噪声模型及分析电路设计实现8压控振荡器电路中的噪声源9热噪声闪烁噪声热噪声是电路中最普遍的噪声，它是由于导体中的电子无规律热运动而产生的一种波动，同时无论导体中有无电流，热噪声都是存在的，热噪声的大小受温度影响非常大。MOS管同样也有热噪声，尤其是在沟道和栅极中，其功率谱密度为：电阻的热噪声模型能够用一个无耗电阻串联一个电压源来表示，它的功率谱密度为：热噪声不随频率变化而变化，因此是白噪声。而闪烁噪声是随频率变化而变化的噪声，它是MOS管中氧化层和硅衬底之间的现象，其中的表面缺陷将会引起能级变化，结果产生闪烁噪声，它的功率谱密度为：相位噪声对无线通信系统的影响10ωLOωinωint干扰信号ωIF干扰信号ωω压控振荡器的相位噪声性能对于通信系统至关重要，它将会恶化接收和发射通信链路的通信质量。例如在一个射频系统中的接收链路，通信链路中的射频信号与本振信号进行混频，将会产生中频输出信号,在理想情况中，由于本振信号的频谱是纯净的脉冲信号，因此只会对射频信号进行频谱搬移，而不会对它产生干扰。但是在实际中，由于本振信号频谱存在边带，这些边带将会把目标信号周围的干扰信号搬移到目标频段中，从而恶化想要的接收信号。相位噪声模型11线性时不变噪声模型线性时不变噪声模型是振荡器中经典的相位噪声分析模型，它是由leeson在1996年基于线性时不变模型而提出一种经验噪声模型，也叫做leeson相位噪声模型。+-H(ω)V2n_inV2n_out3/1f32)/2lg(10sigPFkT)2/(0Q相位噪声)lg(相位噪声模型12线性相位时变噪声模型1998年斯坦福大学的Hajimiri和ThomasLee基于更贴近实际情况的线性相位时变模型从而得出振荡器相位噪声的线性相位时变噪声模型，该模型更加深刻地揭示了振荡器的相位噪声机制。压控振荡器常见的降噪技术13移除尾电流源大电容滤波BiasLPFC1BiasBias提供直流偏置提高共模点阻抗滤除了一部分热噪声降低共模点阻抗压控振荡器常见的降噪技术14二次谐波滤波防止管子工作在深三极管区基波输出摆幅分量更大电路功耗更小C类振荡器技术保留尾电容滤波在共模点提供大的二次谐波阻抗BiasCtailC1Ltail电路结构复杂片上电感面积大时间(ns)CpBiasBiasCaCbL压控振荡器常见的降噪技术15F类振荡器技术注入锁定技术BiasC1VDDLpLsC1C1C2C2Km毫米波变压器建模困难双振荡点变压器设计难度大受工艺、温度偏差影响大时间(ns)幅度(V)频率(GHz)阻抗自由振荡注入锁定之后根据注入锁定理论，相位噪声主要由前一级决定。内容提要毫米波通信芯片研究意义1234结论与展望5压控振荡器的基本原理相位噪声模型及分析电路设计实现16Q波段压控振荡器设计分析17LNAMixerLAVCOAntenna`PAAntennaVCOOOKMod.设计用于Q-LINKPAN标准的OOK收发机芯片Q波段压控振荡器的研究影响整个通信系统的性能OOK接收机OOK发射机Q波段压控振荡器电路结构18BiasM2M1M3LBiasBiasM4M5LbufferLbufferVDDVDDVDDVoutVoutCCCCCvarCvarGSG_padGSG_padLC-tank结构低Kvco设计交叉管版图优化Q波段压控振荡器版图设计19GSG输出焊盘VCO核心电路直流焊盘GSG输出焊盘直流焊盘缓冲器电路面积:600um*600umQ波段压控振荡器仿真结果2045GHz单频点仿真结果调谐范围与相位噪声43.87GHz~47.96GHz-89.72dBc/Hz到-93.42dBc/HzV波段压控振荡器设计分析2120GVCO60GVCO20GBUFFER60GBUFFER系统模块图覆盖中国60GHz免许可频谱：59-64GHz；相位噪声达到-90dBc/Hz@1MHz以下；面积和功耗尽量小。注入源压控振荡器设计低相位噪声低Kvco22BiasBiasM1M2M3CtR1R2C1C2L开关电容阵列Class-C结构开关电容阵列被注入压控振荡器设计23宽带宽高输出功率LC-tank结构大电感开关电容阵列开关电容阵列BiasM2M1M3LV波段压控振荡器电路结构24BiasBiasM1M2M5CtR1R2C1C2L1开关电容阵列BiasM11M10M14L2BiasBiasM13M12LbufferLbufferVDDVDDVDDVout2Vout2C9C10C8C7GSG_padGSG_pad开关电容阵列BiasM8M3VDDVout1GSG_padBiasM9VDDM4VDDC5M7M6C3C4C6R3R4R5R6R7R8M15M16R10M17M18R11M5SwitchR9BiasV波段压控振荡器电路结构24BiasBiasM1M2M5CtR1R2C1C2L1开关电容阵列BiasM11M10M14L2BiasBiasM13M12LbufferLbufferVDDVDDVDDVout2Vout2C9C10C8C7GSG_padGSG_pad开关电容阵列BiasM8M3VDDVout1GSG_padBiasM9VDDM4VDDC5M7M6C3C4C6R3R4R5R6R7R8M15M16R10M17M18R11M5SwitchR9BiasV波段压控振荡器电路结构24BiasBiasM1M2M5CtR1R2C1C2L1开关电容阵列BiasM11M10M14L2BiasBiasM13M12LbufferLbufferVDDVDDVDDVout2Vout2C9C10C8C7GSG_padGSG_pad开关电容阵列BiasM8M3VDDVout1GSG_padBiasM9VDDM4VDDC5M7M6C3C4C6R3R4R5R6R7R8M15M16R10M17M18R11M5SwitchR9Bias60GHzVCO无源部分20GHzVCO无源部分压控振荡器无源部分模型2502040608010080828486889092949698100Frequency(GHz)L(pH)0510152025303540Q压控振荡器版图设计26面积:650um*900um电路仿真结果27被注入压控振荡器仿真结果注入源压控振荡器仿真结果19.2GHz~20.97GHzHigh:-106.9dBc/HzLow:-108.15dBc/Hz58.66GHz~65.8GHzHigh:-88.18dBc/HzLow:-91.4dBc/Hz电路仿真结果28注入源与被注入压控振荡器联合仿真锁定后20GHz泄露信号60GHz输出信号芯片测试方案29PCBR&SFSU67DCSupplyPCBDCSupply采用载片测试方式，通过探针台对芯片射频端直接加GSG探针测试，而直流部分则是通过PCB进行供电。芯片测试结果3019.17GHz~20.67GHz51.56GHz~56.3GHz芯片测试结果31直流电压源纹波较大频谱仪无法锁定输入频率测试结论分析与改进32一、频率偏移导致失锁1.仿真没有完全模拟出寄生效应影响2.65nmHFSS模型仿真的准确性3.悬浮金属层dummy影响二、相位噪声问题1.电压源引入的噪声2.频率不稳定造成的影响仿真模型更加接近实际测试情况优化HFSS仿真设置的准确性悬浮dummy尽量加入仿真中增加更多的片上去耦电容考虑片上LDO进行测试留有更加合适的设计余量内容提要毫米波通信芯片研究意义1234结论与展望5压控振荡器的基本原理相位噪声模型电路设计实现33结论与展望34设计了一款用于Q-LINKPAN标准的Q波段压控振荡器芯片，采用LC-tank结构，调谐范围为43.87GHz~47.96GHz，相位噪声在45GHz为-91.45dBc/Hz@1MHz，功耗为19.2mW，面积为0.6mm*0.6mm。研究降低版图寄生效应的连线布局方法，总结了使用电磁仿真软件HFSS对压控振荡器进行后仿的方法。设计了一款用于我国60GHz附近免许可频段的压控振荡器芯片，采用注入锁定方式，其中20GHz压控振荡器的调谐范围为19.17GHz~20.67GHz，相位噪声在频率点19.68GHz处为-100.88dBc/Hz@1MHz，功耗为11.7mW，60GHz压控振荡器的调谐范围为51.56GHz~56.3GHz，功耗为23.52mW，总面积为0.65mm*0.9mm。为毫米波压控振荡器的电路设计、版图绘制以及后仿真累积一定的设计经验。毫米波压控振荡器依然存在很多问题有待讨论和改善。主要在以下三个方面：毫米波频段的无源器件缺少准确模型更好地模拟寄生效应对电路性能的影响毫米波压控振荡器的测试平台搭建致谢35THANKS！