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随着人们对大数据量、低功耗、高集成度无线通信产品的需求不断增加,射频集成电路成为继个人电脑之后集成电路新的增长点。随着应用于射频和模拟混合电路的CMOS工艺尺寸的不断缩小,晶体管可达到的截至频率不断增加,同时,由于CMOS具有低成本,易实现系统芯片(SoC)的优点。因此,目前CMOS工艺在10GHz以下射频通讯领域仍然占据统治地位的同时,已经越来越多地被应用于更高频率如10～100GHz的毫米波领域。
压控振荡器(VCO)做为频率综合器(PLL)中最重要的组成部分,是射频收发机系统中的重要模块。VCO的主要性能指标调谐范围、功耗、相噪声都构成了系统设计的关键考虑因素。
本论文阐述了CMOS LC VCO的工作原理,介绍了VCO设计中的关键考虑因素:相噪声、功耗和调谐范围,以及它们相互的影响。接下来本文为多频带多标准移动数字电视接收机设计了一款宽频带CMOS LC VCO,该VCO能够覆盖多个移动数字电视标准(DVB-H、ISDB-T、CMMB和T/S-DMB等)所使用的各个频段(VHF,UHF,L-Band,S-Band)。该宽频带LC VCO使用TSMC0.18umCMOS工艺流片,不加Pad的面积为1100um*690um。测试结果显示:其完整覆盖了1.2GHz到2.85GHz的频率范围;采用1.8V电源电压,功耗在3.7mW到16.4mW之间;在1.45MHz处的带外相噪声在-120dBc/Hz到-128dBc/Hz之间,分频到UHF波段到在-130dBc/Hz到-135dBc/Hz之间。
同时,本论文为400MHz极低功耗射频收发机系统设计提出了一款极低功耗CMOS LC VCO,该LC VCO在实现自身低功耗的同时,采用无源RC正交信号产生电路直接驱动混频器(Mixer),省去了驱动电路功耗,同时采用了多种措施达到了高的频率精度,有利于频率综合器电路的低功耗设计。该极低功耗VCO使用TSMC0.18um CMOS工艺流片,面积约为400um*350um。测试结果显示:采用1.8V电源电压,平均功耗为0.875mW;频率覆盖范围360MHz～455MHz;在415MHz频率处(极低功耗系统中的目标频率附近)能够实现±300kHz的频率精度;在415MHz目标频率附近带外相噪声为-116dBc/Hz@1MHz。