摘 要

由于CMOS技术的高速发展，CMOS毫米波应用近来引起了很多关注。毫米波通信系统中，收发机的研究与设计十分重要，其中分频器作为核心部件更是重中之重。分频器的功率消耗、锁定范围等性能对收发机产生了直接的影响，因此需要去设计出具有高工作频率以及低功率消耗的分频器。

本文设计了一种基于TSMC 45nm CMOS工艺的超高速注入式分频器。相比于电流模式逻辑分频器和米勒分频器，注入式分频器工作频率高，结构简单而且功耗较低，但是其锁定范围过小。本文首先介绍了现有注入式分频器的主要类型，分析了各种注入式分频器的结构和实现技术。然后着重根据设计要求，选择合适的实现结构，合理设计元器件参数以提高性能指标。仿真结果表明，在0.9V电源电压下，单端直接注入式分频器工作频率范围为56-86GHz，而双端直接注入式分频器工作频率范围为40-81GHz，都满足了低功耗和宽锁定范围的要求。

关键词：注入锁定，毫米波，分频器，锁定范围

Abstract

Due to the rapid development of CMOS technology, CMOS millimeter wave applications have recently attracted much attention. In the millimeter-wave communication system, the research and design of the transceiver is very important. The frequency divider is the most important part in the design. The power consumption of the frequency divider and the locking range and other performance have a direct impact on the transceiver, so it is necessary to design a frequency divider with a high operating frequency and low power consumption.

Two ultra-fast injection-locked frequency dividers based on TSMC 45nm CMOS technology are designed in this paper. Compared with the current mode logic divider and Miller divider, the injection lock divider has a high operating frequency, a simple structure and low power consumption, but its lock range is too small. The main types of existing injection frequency dividers are introduced first, and the structure and implementation techniques of various injection frequency dividers are analyzed later. Then focus on the design requirements, select the appropriate implementation structure, and reasonably design component parameters to improve performance. Simulation results show that the single-ended direct-injection frequency divider operates at 56-86 GHz with a 0.9V supply voltage, while the double-ended direct injection divider operates at 40-81 GHz. Both designs meet the requirements of low power consumption and wide lock range.

KEY WORDS: Injection lock, Millimeter wave, Divider, Lock range

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 毫米波CMOS集成电路发展历程和研究意义 1

1.2 CMOS 毫米波频率综合器研究现状 2

1.3 CMOS 毫米波分频器研究现状 3

1.4 论文主要工作及结构 4

第二章 分频器设计基础 5

2.1 分频器分类 5

2.1.1 数字分频器 5

2.1.2 模拟分频器 7

2.2 注入式分频器 8

2.2.1 尾电流注入式分频器 10

2.2.2 单端直接注入式分频器 11

2.2.3 双端直接注入式分频器 12

第三章 注入式分频器设计分析 14

3.1 注入式分频器性能指标 14

3.1.1 锁定范围 14

3.1.2 相位噪声 17

3.1.3 功耗 19

3.1.4 FOM指标 20

3.2 注入式分频器优化方案 20

3.2.1 高阶谐振器 20

3.2.2 电流复用结构 23

3.2.3 衬底偏置技术 24

第四章 注入式分频器设计及仿真结果 26

4.1 单端注入式分频器设计 26

4.1.1 电路设计 26

4.1.2 仿真结果 27

4.2 双端注入式分频器设计 29

4.2.1 电路设计 29

4.2.2 仿真结果 30

4.3 两种设计的比较 32

第五章 总结与展望 34

致谢 35

参考文献 36

绪论

1.1 毫米波 CMOS 集成电路发展历程和研究意义

随着电子计算机在人类社会的普及，整个人类社会全面进入了信息化时代。通信技术的发展日新月异，它使得我们的日常生活发生了翻天覆地的变化。通信的种类按传输媒质可以分为：导线、电缆、光缆、波导、纳米材料等形式的有线通信与传输媒质看不见、摸不着的无线通信^[1]。在过去的一段时间里，从早期的电报和无线广播，到现在的移动蜂窝和无线网络，无线通信取得了革命性的进步，和我们的生活更是息息相关，越来越多的无线通信标准协议也应用其中^[2]。表1-1展示了各种无线通信技术的对比。由于无线通信的用户量呈爆炸式增长，无线通信的发展无疑面临着巨大的挑战，它需要具备更快的传输速率、更大的带宽、更高可靠性和安全性，尤其是速率上的要求愈发严格^[1]。除此之外，低频段的频谱资源也日益耗尽，因此毫米波频段的利用引起了社会广泛的关注。通常情况下，毫米波频段是指30GHz到300GHz，对应波长为1mm到10mm^[1]。毫米波频率较高，具有极宽的带宽，同时波束窄、探测能力强、安全性及保密性高、传输质量高等，但具有大气中传播衰减严重、器件加工精度要求高的缺点^[2]，不过综合来说毫米波通信有着广阔的发展前景。

表1-1 几种无线通信技术的对比

通常根据电路系统的需要，来决定集成电路设计的工艺。目前毫米波频段集成电路设计相关的工艺主要分为三大类^[2]，分别是III-V族化合物半导体、锗硅(SiGe)工艺以及硅基工艺。III-V半导体技术过去主导毫米波的IC设计，而基于Si的IC技术几乎在其他地方广泛使用，包括数字、模拟甚至低微波频率应用，例如常见的手机、2.4GHz和5.8GHz ISM频段等。毫米波CMOS集成电路是在CMOS射频电路的基础上开始发展的。基于硅的IC技术的发展已经证明了毫米波应用的潜力。最近研究人员甚至使用大量CMOS工艺，实现了100 GHz以上的毫米波射频集成电路。值得注意的是，在过去的十年中，Si波段毫米波单片微波集成电路的开发时间比III-V基毫米波单片微波集成电路短得多。硅基工艺主要为CMOS和BiCMOS。相比于其他的工艺，CMOS集成电路具有功耗低、速度快、抗干扰能力强、集成度高等众多优点。CMOS工艺目前已成为当前大规模集成电路的主流工艺技术，绝大部分集成电路都是用CMOS工艺制造的。在上个世纪八十年代，CMOS工艺只是微米级，如今纳米级工艺也是不在话下了^[3]。不仅仅是工艺，无源器件和电路的设计在最近几十年里也都取得了突破性的进步。下一代微电子电路将提高整体性能，包括线性度、效率，这可以进一步降低功耗和支持通过更复杂的调制方案提供更高的数据速率。