基于相干布局囚禁(CPT)现象研制的原子钟与传统原子钟相比,能够提供更高的时间精度,且有利于原子钟向微型化、低功耗方向发展。在不同种类的CPT原子钟中,铷原子钟应用最为广泛,而其性能的优劣很大一部分取决于自身内部的用于提供微波信号源的压控振荡器(VCO)。基于此,利用高品质因数的同轴谐振器和Clapp振荡电路,首先根据负阻分析法使电路快速起振,并结合虚拟地技术对电路参数进行优化,完成了一个小体积、低相位噪声的3.035 GHz压控振荡器的设计。其相位噪声为-60.49 d Bc/Hz@300 Hz、-73.08 d Bc/Hz@1 k Hz和-97.48 d Bc/Hz@10 k Hz,压控调节灵敏度为12 MHz/V,输出信号的功率为-1.13 d Bm,满足铷原子钟的应用需求。
在毫米波电路芯片中,频率源的性能对系统的性能指标至关重要。然而,基于硅基CMOS的高性能毫米波频率源技术仍然存在许多设计挑战,是毫米波电路设计中的重点和难点。本文研究了毫米波锁相环中的核心模块:压控振荡器与分频器,它们的性能指标将直接影响到系统的整体性能。本文首先介绍了国内外近年来关于压控振荡器和分频器的研究现状。随后,本文简单介绍了压控振荡器的基本参数与原理,并根据振荡器的相位噪声转化机制,讨论了如何利用谐波调谐技术优化振荡器的相位噪声。在此基础上,本文基于标准65nm CMOS工艺,对77GHz毫米波雷达频率源的压控振荡器和分频器进行了设计。由于采用了压控振荡器级联四倍频器的系统架构,因此本文设计了一款20GHz的Class F23类谐波调谐压控振荡器,实现二次和三次谐波的辅助谐振,从而改善振荡器的相位噪声性能。在1V电源下,振荡器芯片核心消耗35 m A电流。该振荡器芯片通过切换变容管实现了高低频带工作模式的转换,在0.3V-1.5V调谐电压下的实测高低频带输出频率范围分别为18.36GHz-19.04GHz与18.75GHz-19.74GHz。对振荡器的KVCO线性度进行了补偿,KVCO在调谐范围内变化小于18%,具有较好的线性度。通过三组抗PVT电容阵列,实现了总的调谐范围17.38GHz-19.74GHz,相对调谐带宽为12.7%。在18.59GHz的输出信号测得相位噪声为-110.3 d Bc/Hz@1 MHz。最后,本文基于电流逻辑模式电路结构设计了一款毫米波宽带可编程分频链。该分频链由预4分频器和多模分频器级联组成,本文详细介绍了分频链芯片的设计流程与设计要点,并对其进行了流片和测试分析。测试结果显示,在0d Bm的输入功率下,分频链分频范围大于78%（10-23GHz）,实现了256-507的可变分频比。分频链芯片使用了1V电源电压,核心功耗为13m W。
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