本篇文献题为《设计与研究基于CMOS的环形振荡器架构用于5G移动通信》，作者包括Abdul Rahman、Siddharth Kishore和A. R. Abdul Rajak，均来自阿联酋迪拜的比尔拉科技与科学学院（Birla Institute of Technology and Science Pilani, Dubai Campus）。该论文于2024年2月1日发表在《Emerging Science Journal》期刊（ISSN: 2610-9182）第8卷第1期。

学术背景

本研究主要涉及振荡器电路，这类电路广泛应用于各种系统，从简单的手表到复杂的卫星系统，都是通过振荡器生成精确、可靠的时钟信号，对于长距离通信至关重要。振荡器的实现方式有很多，可以通过被动或主动元件来实现，每种方式都有其优缺点。然而，在当前移动通信发展的阶段，最为关键的需求是互操作性和低功耗。因此，设计小型化、低功耗的电池驱动电子设备成为了研发的主要方向。特别是针对5G通信的高频率和低功耗需求，基于大规模集成（VLSI）技术的环形振荡器提供了理想的解决方案。这类振荡器具有较低的功耗、更广泛的调谐范围，并且体积小巧。

本研究提出了一种新型的互补金属氧化物半导体（CMOS）环形振荡器架构，能够作为电压控制振荡器（VCO）。这种新架构结合了电流受限环形振荡器和负偏移延时电路的优势，旨在提高5G通信的振荡器性能。研究表明，该架构具有1.15V的控制电压和2V的电源电压，能够产生9.35 GHz的主频，并且其谐波失真率为13.82%。

研究方法和过程

本研究的设计过程主要包括以下几个阶段：

1. 振荡器架构的设计： 本文提出的CMOS环形振荡器架构结合了两种重要的振荡器类型：电流受限环形振荡器和负偏移延时振荡器。研究通过分析各类振荡器的优缺点，选择了适用于5G移动通信的架构。具体来说，研究选用了50nm工艺的CMOS技术，并根据实验需求进行了电源电压、控制电压、频率等参数的选择和调节。

2. 电路模拟与仿真： 采用LTSpice软件对所设计的振荡器架构进行了仿真分析。仿真过程中，研究者分别对常规环形振荡器、负偏移环形振荡器和电流受限环形振荡器的性能进行了比较。研究结果表明，所设计的架构在高频率下具有较低的功耗和较小的谐波失真，适合于5G应用。

3. 性能分析： 在电路模拟的基础上，研究者进一步分析了各类振荡器在不同频率下的表现，包括谐波失真、频率稳定性、功率消耗等指标。通过对比不同设计的性能，研究表明提出的架构在频率范围、功耗和相位噪声方面均优于传统设计。

4. 结果验证： 通过实验数据验证了该架构的有效性。研究显示，所设计的振荡器能够稳定工作在9.35 GHz频率下，且谐波失真仅为13.82%。这些性能使得该架构能够满足5G通信中对高频率和低功耗的要求。

主要研究结果

本研究的主要成果可以概括为以下几点：

1. 新型架构的提出： 提出了一种新型的基于CMOS的环形振荡器架构，结合了电流受限和负偏移延时的优势。通过优化电路设计，该架构不仅能够提高频率响应，还能够有效降低功耗和相位噪声。

2. 频率范围和功耗表现： 通过仿真分析，所设计的振荡器能够在较低的控制电压下产生9.35 GHz的频率，并且功耗较低。此外，相较于传统的环形振荡器设计，提出的架构在频率稳定性和谐波失真方面表现更为优越，谐波失真仅为13.82%。

3. 实际应用前景： 该架构特别适用于5G通信系统，能够满足低功耗和高频率的要求。研究还展示了该振荡器在5G设备中的潜在应用，表明其能够为5G网络提供稳定的时钟信号。

结论

本研究表明，基于CMOS的环形振荡器架构在满足5G通信的高频率和低功耗要求方面具有重要意义。通过合理选择电路的各项参数，如电源电压、控制电压、频率和阶段数，能够在保证性能的同时，减少功耗和谐波失真。研究结果为未来5G通信设备的设计提供了新的思路，并在低功耗高频振荡器的设计方面做出了积极贡献。

研究亮点

1. 创新的架构设计：本研究通过结合电流受限和负偏移延时的两种技术，提出了一种新型的振荡器架构，解决了传统环形振荡器在高频率和低功耗方面的不足。
2. 优越的性能表现：在多种振荡器设计中，所提出的架构能够提供更高的频率和更低的谐波失真，适用于5G通信等高频率应用。
3. 较低的功耗和谐波失真：该设计在保证较高频率的同时，通过优化电路布局和参数，成功降低了功耗和谐波失真，为实际应用提供了可行的解决方案。

本研究通过设计与实现一种新型的CMOS环形振荡器架构，不仅解决了传统设计中存在的功耗和频率问题，还为未来的5G通信和其他高频应用提供了理论依据和技术支持。