基于互感开关变压器的毫米波宽带数控振荡器的研究与设计

作     者：白雪婧 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：唐路;蒋颖丹

授予年度：2022年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：毫米波 数控振荡器 宽带 互感开关变压器 

摘      要：随着短距离、宽频带通信应用的市场需求不断扩大,设计具有宽频带、高性能的毫米波振荡器对于V波段宽带通信技术研究意义重大。因此,本文采用40 nm CMOS工艺,设计了一款V波段毫米波宽带数控振荡器（Digitally Controlled Oscilator,DCO）,包含DCO的核心振荡电路、提供离散电压的数字模拟转换器（Digital Analogue Converter,DAC）以及具有高隔离度的输出级缓冲器。通过对毫米波振荡器宽带技术的调研与分析,本文最终采用基于互感开关变压器的电感调谐技术,结合粗调、中调、精调三级电容调谐技术共同完成DCO的宽带设计。并详细分析了DCO电路的设计难点;带宽、分辨率、相位噪声等关键性能指标的优化方向与技术;DCO持续振荡的条件;毫米波频段存在的各种复杂高频寄生效应等毫米波DCO的设计要点,从而指导具体电路设计。进一步的,本文对基于互感开关变压器的电感调谐技术展开分析,并借助HFSS电磁仿真软件,建立了片上变压器的三维模型,进而采用电磁场仿真的方法,实现了具有高品质因数的毫米波变压器,最终完成了电感调谐电路的设计。同时,在保证带宽的前提下,充分权衡分辨率、相位噪声等关键性能指标,完成了毫米波DCO其余关键电路模块,包括粗调、中调、精调三级电容调谐电路、DAC、输出级缓冲器的前端设计与仿真。最后,本文完成了整个毫米波宽带数控振荡器的版图设计以及后端仿真。总的芯片面积为440×477μm,DCO核心电路芯片面积仅144×132μm。根据后端仿真结果,频率调谐范围为57.85～72.30 GHz,带宽达到14.45 GHz,相对带宽22.21%。在整个工作频率范围内,1 MHz频偏处相位噪声范围为-95.32～-91.07 d Bc/Hz,分辨率达到1.87 MHz/LSB,输出级缓冲器的反向隔离度均低于-40 d B。最终,本文设计的高性能V波段毫米波DCO,具有宽调谐范围、较低的相位噪声、较高的调谐精度、高反向隔离度以及高集成度。