论文总字数：30600字

摘 要

无线通信技术是通信技术中的大热门，而射频前端电路是无线通信系统中最为重要的部分之一。传统的通信频段已经无法满足飞速发展的技术所带来的的各种高要求，因此人们把目光转向了毫米波段。而工作在毫米波超高频率下的射频前端电路对频率综合器的性能提出了更高的要求。

频率综合器的关键在于信号，无论是本振信号或者时钟信号，其相位噪声特性必须要达到很高的要求。因此，如何设计低相位噪声、高带宽的锁相环电路成为研究的热点，而高频率宽带宽的数字振荡器的研究恰巧是其关键所在。

本文前部分主要探讨了振荡器的基本原理，接着针对关键的相位噪声进行分析讨论，尤其着重于降噪技术的讨论。

最后本文基于40nm CMOS工艺进行了工作在E波频段的DCO的具体设计。详细阐述了DCO各个结构的选择问题，并给出较详细的参数计算问题。最后给出本次DCO的设计原理图和前仿真结果。

本次设计的数字控制振荡器基本满足设计要求，1.3ns内完成起振，振幅为1.1V，中心工作频率为88GHz，相位噪声性能为-88.2dBc/Hz@1MHz，调谐频率带宽和精度也大体满足基本要求。虽然没有时间完成版图设计与后仿真，但是已经留下很大的频率设计裕量，应该能较好地满足实际设计要求。

关键字：数字控制振荡器，毫米波，相位噪声

Abstract

Wireless communication technology is a hot topic in communication technology, and the RF front-end circuit is a critically important part of the wireless communication system. The traditional communication frequency band has been unable to meet the various high requirements brought by the rapid development of technology, so people turn their attention to the millimeter band. The RF front-end circuit working at millimeter wave ultra-high frequency puts forward higher requirements for the performance of frequency synthesizer.

The key of frequency synthesizer is the signal, whether local oscillator signal or clock signal, whose phase noise characteristics must meet high requirements. Therefore, how to design a low phase noise and high bandwidth PLL circuit has become a research hotspot, and the research of high frequency and wide bandwidth digital oscillator is the key.

In the first part of this paper, the basic principle of the oscillator is discussed, and then the key phase noise is analyzed and discussed, especially the noise reduction technology.

Finally, basing on the 40nm CMOS process, the specific design of DCO working in E-band is carried out. Then,the method to select DCO concrete structure is introduced in detail, and the calculation of parameters is given in detail. Finally, the design schematic diagram and the pre-simulation results of this DCO are given.

The designed digital controlled oscillator basically meets the design requirements. It starts in 1.3ns with 1.1V amplitude, 88 GHz central working frequency, and - 88.2dBc/Hz@1MHz phase noise performance. The bandwidth of tuning frequency and its’ accuracy also meet the basic requirements. Although there is no time to complete layout design and post-simulation, it has left a large margin of frequency design, which should be able to better meet the actual design requirements.

Key words: digital controlled oscillator, millimeter wave, phase noise

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1选题的背景及其意义 1

1.2数字控制振荡器的研究现状 2

1.3设计主要内容和主要工作 3

1.4论文组织与结构 4

第二章 振荡器原理概述 7

2.1 ADPLL技术与DCO 7

2.2振荡器的基本原理 7

2.2.1正反馈分析模型 8

2.2.2负阻分析模型 10

2.3压控振荡器基础 11

2.3.1压控振荡器的种类与基本结构 11

第三章 对DCO的相位噪声抑制技术 15

3.1相位噪声基本介绍 15

3.1.1相位噪声定义 15

3.1.2相位噪声影响 16

3.2 VCO的相位噪声来源 17

3.3相位噪声模型 17

3.3.1理想负阻模型 18

3.3.2Leeson模型 18

3.3.3 Hajimiri模型 19

3.3.4基于leeson的Rael模型 20

3.4相位噪声降噪技术 21

3.4.1尾电流源去除技术 21

3.4.2大电容滤波技术 22

3.4.3电感二次谐波滤波技术 22

3.4.4片外大电感源极反馈技术 23

3.4.5Class-C VCO改进技术 24

3.4.6Class-F VCO改进技术 24

第四章 数字控制振荡器的设计 27

4.1振荡器的设计指标 27

4.1.1DCO的主要参数 27

4.1.2本设计的指标 28

4.2压控振荡器的总体结构 28

4.3数字控制振荡器的具体结构与参数设计 30

4.3.1对电感的结构选择与参数计算 30

4.3.2开关电容阵列的结构设计与参数计算 31

4.3.3可变电容的设计与参数计算 32

4.3.4交叉耦合管的设计与参数计算 32

4.3.5尾电流源结构的设计 33

4.4数字控制振荡器的原理图与前仿真结果 33

第五章 总结与展望 39

5.1总结 39

5.2展望 39

参考文献 40

致 谢 42

第一章 绪论

1.1选题的背景及其意义

在从二十世纪开始的一百年内，信息通信技术彻底地改变并融入普通人的生活，无线通信技术更是通信技术中的大热门。无线通信的历史可以追溯到1901年具有跨时代意义的跨大西洋无线通信试验，百年来，由早期的电报逐渐演变为作为个人移动终端的具有多种功能的智能手机，无线互联与我们的生活密不可分。尤其是进入新世纪以来，移动通信产业进入到爆发式增长的时期，与此同时，相关移动通信技术也在飞速地发展着。尤其是近几年来，各式各样的针对个人的电子消费产品基本都依靠于短距离无线通信技术，例如智能手机、智能家电、笔记本电脑、智能穿戴设备等，这些无线移动终端的大面普及，使得人们对无线通信的需要日益猛增。对于广泛应用于日常生活的无线通信系统，各项无线通信技术对于其通信容量、通信速度、通信质量、通信成本及系统集成度等性能指标的要求越来越高，而传统的通信频段已经无法满足飞速发展的技术所带来的的各种高要求。所以，一种崭新的超高频率超高带宽的通信解决方案是目前无线通信技术的迫切需要。

于是，人们将目光转向了高频的毫米波频段，其具有丰富的频率资源，此外，毫米波频段还具有许多其他的优势，比如利于天线集成的短波长特性。这一切让毫米波频段成为了各项无线通信技术的大热门，吸引了学界和产业界的关注。

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