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基于高Q值铌酸锂MEMS谐振器与65纳米CMOS的可调低功耗振荡器

DOI：10.1109/TMTT.2018.2872959 期刊：IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 出版年份：2018 更新时间：2025-09-10 09:29:36
摘要： 本文提出了一种压电射频微机电系统(MEMS)谐振器与CMOS协同设计的全面指南，旨在实现能充分发挥两种平台优势的电压控制MEMS振荡器(VCMO)。该分析聚焦于调谐范围、功耗、增益和相位噪声之间的权衡关系，其结论具有普适性(适用于各类压电谐振器)，同时针对Colpitts结构VCMO进行了专项研究?；诖讼钛芯?，首次展示了基于高Q值铌酸锂(LiNbO3)微机械谐振器与CMOS异质集成的VCMO。采用系列谐振频率为171.1 MHz、Q值为410、机电耦合系数为12.7%的LiNbO3谐振器阵列，并运用台积电65纳米射频低压CMOS工艺实现占位面积220×70微米的反馈与调谐电路。通过编程连接至谐振器的二进制加权数字电容阵列和变容二极管实现VCMO的频率调谐。实测最佳相位噪声性能为：在178.23 MHz和175.83 MHz载波下，分别对应1 kHz和10 MHz频偏时达到-72 dBc/Hz和-153 dBc/Hz。该VCMO在1.2V供电下仅消耗60 μA直流电流，实现2.4 MHz调谐范围(约1.4%小数调谐范围)。此类VCMO可应用于物联网新兴场景，实现超低功耗、低相位噪声的宽带射频信号合成。
作者： Ali Kourani，Songbin Gong
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

设计一种电压控制微机电振荡器（VCMO），通过将高Q值铌酸锂（LiNbO3）微机械谐振器与CMOS技术集成，实现低功耗、低相位噪声和宽带射频信号合成。

研究成果

该论文首次展示了基于高Q值LiNbO3微机械谐振器与CMOS异质集成的VCMO，在178.23 MHz载波偏移1 kHz处实现?72 dBc/Hz的相位噪声，调谐范围达2.4 MHz，最大直流功耗仅为72 μW。所提出的设计原理和分析方法适用于各类压电谐振器，并特别针对Colpitts架构VCMO。

研究不足

调谐范围主要受电路设计限制，而非MEMS谐振器本身。通过未来的电路优化，可以将VCMO的调谐范围扩展至充分利用谐振器的大部分可用带宽。

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