基于45 nm CMOS SOI工艺的毫米波双频段低相噪压控振荡器设计

陈喆; 王品清; 周培根; 陈继新; 洪伟

doi:10.12263/DZXB.20230645

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基于45 nm CMOS SOI工艺的毫米波双频段低相噪压控振荡器设计

学术论文 | 更新时间：2025-12-24

- 基于45 nm CMOS SOI工艺的毫米波双频段低相噪压控振荡器设计
- Design of a Millimeter-Wave Dual-Band Low Phase Noise VCO in 45 nm CMOS SOI Process
- 电子学报 2024年52卷第7期页码：2161-2169
- 作者机构：
  
  东南大学毫米波全国重点实验室，江苏南京 211111
- 作者简介：
  
  [ "陈喆男，2006年及2014年分别在电子科技大学、东南大学获得学士、博士学位.2016~2018年在美国德克萨斯大学达拉斯分校完成博士后研究，现任东南大学信息科学与工程学院毫米波全国重点实验室副教授.研究领域为硅基毫米波太赫兹集成电路与系统等.中国电子学会会员编号：E190035993M.E-mail: zhechen@seu.edu.cn" ]
  [ "王品清男，2022年在杭州电子科技大学电子信息学院获得学士学位，现在东南大学信息科学与工程学院攻读硕士学位.E-mail: wangpinqing@seu.edu.cn" ]
  [ "周培根男，博士，2015年在东南大学获得学士学位，2019年赴荷兰埃因霍温大学交流学习，2020年在东南大学获得博士学位.现任东南大学信息科学与工程学院毫米波全国重点实验室助理研究员.研究方向为硅基毫米波太赫兹通信和雷达系统芯片设计.中国电子学会会员编号：E190027582M.E-mail: pgzhou@seu.edu.cn" ]
  [ "陈继新男，分别于1998年、2002年以及2006年获得东南大学无线电工程学士学位、电磁场与微波技术硕士学位和博士学位.目前是东南大学信息科学与工程学院教授、电磁场与微波技术工程系主任.主要研究方向为毫米波电路与系统集成技术.中国电子学会会员编号：E190026318M.E-mail: jxchen@seu.edu.cn" ]
  [ "洪伟男，1982年在信息工程大学获得学士学位，1985年、1988年在东南大学获得硕士、博士学位.现为东南大学首席教授、博士生导师、教育部长江学者特聘教授、杰青、IEEE Fellow.研究方向为毫米波理论与技术.现任中国电子学会微波分会、天线分会副主任委员.获国家自然科学二等奖、四等奖各1项，国家科技进步二等奖1项等.中国电子学会会员编号：E190004129F.E-mail: weihong@seu.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家重点研发计划(2020YFB1804904);国家自然科学基金(62188102;62171128)
- DOI：10.12263/DZXB.20230645
  中图分类号： TN402;TN722.3
- 收稿：2023-07-11，
  
  修回：2024-01-18，
  
  纸质出版：2024-07-25
- 稿件说明：
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陈喆, 王品清, 周培根, 等. 基于45 nm CMOS SOI工艺的毫米波双频段低相噪压控振荡器设计[J]. 电子学报, 2024, 52(07): 2161-2169.

CHEN Zhe, WANG Pin-qing, ZHOU Pei-gen, et al. Design of a Millimeter-Wave Dual-Band Low Phase Noise VCO in 45 nm CMOS SOI Process[J]. Acta Electronica Sinica, 2024, 52(07): 2161-2169.
陈喆, 王品清, 周培根, 等. 基于45 nm CMOS SOI工艺的毫米波双频段低相噪压控振荡器设计[J]. 电子学报, 2024, 52(07): 2161-2169. DOI：10.12263/DZXB.20230645

CHEN Zhe, WANG Pin-qing, ZHOU Pei-gen, et al. Design of a Millimeter-Wave Dual-Band Low Phase Noise VCO in 45 nm CMOS SOI Process[J]. Acta Electronica Sinica, 2024, 52(07): 2161-2169. DOI：10.12263/DZXB.20230645

摘要

本文基于45 nm互补金属氧化物半导体绝缘体上硅工艺（Complementary Metal Oxide Semiconductor Silicon On Insulator，CMOS SOI）设计了一款支持5G毫米波24.25~27.5 GHz和37~43.5 GHz双频段的低相位噪声压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator，VCO）.基于CMOS SOI工艺良好的晶体管开关特性，结合开关电容阵列及开关电感方案，提高宽带调谐电容、电感

值，扩展VCO工作频段，降低相位噪声.同时，输出匹配网络也采用开关电容切换方式，实现了5G毫米波双频段良好阻抗匹配及稳定功率输出.流片测试结果表明该VCO可以完整覆盖5G毫米波双频段24.25~27.5 GHz和37~43.5 GHz，低频段输出功率-4.8~0 dBm，高频段输出功率-6.4~-2.3 dBm.在24.482 GHz载频，1 MHz频偏处的相位噪声为-105.1 dBc/Hz；在43.308 GHz载频，1 MHz频偏处的相位噪声为-95.3 dBc/Hz.VCO核心直流功耗15.3~18.5 mW，电路核心面积为0.198 mm

.低频段（高频段）的FoM（Figure of Merit）及FoM

优值分别达到-181.3 dBc/Hz（-175.4 dBc/Hz）、-194.3 dBc/Hz（-188.3 dBc/Hz）.

Abstract

This paper presents the design of a millimeter-wave dual-band low phase noise voltage-controlled-oscillator in 45 nm CMOS SOI (Complementary Metal Oxide Semiconductor Silicon On Insulator) process

which covers bands of 24.25~27.5 GHz and 37

~43.5 GHz for 5G millimeter-wave communications. Based on the transistor’s high performance as the RF switch in SOI process

the switched cap-bank and switched inductor topology are proposed in this paper

to enhance the quality factor

for the wide-band tuning inductance and capacitance

increase the VCO (Voltage Controlled Oscillator) operating bandwidth

and lower the phase noise performance. Meanwhile

the switched capacitor is also adopted in the output matching network for good matching and stable output power in dual-bands. Measured results show that the designed VCO covers the bands of 24.25~27.5 GHz and 37~43.5 GHz for 5G millimeter-wave communication standards as in WRC-19

with output power of -4.8~0 dBm in low band and -6.4~-2.3 dBm in high band. The measured phase noise is -105.1 ‍dBc/Hz@1 MHz offset for the 24.482 GHz carrier

and -95.3 dBc/Hz@1 MHz offset for the 43.308 GHz carrier. The DC power consumption for the core circuit is 15.3~18.5 mW

and the core area is 0.198 mm

. The corresponding FoM (Figure of Merit) and FoM

for low (high) band is -181.3 dBc/Hz (-175.4 dBc/Hz)

and -194.3 dBc/Hz (-188.3 dBc/Hz)

respectively.

关键词

Keywords

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