电子工程领域的前沿技术研究与应用

# 电子工程领域的前沿技术研究与应用 ## 1. 180nm 技术下电压控制振荡器（VCO）的设计与实现 ### 1.1 VCO 振荡频率分析 电流饥饿型 VCO 对于奇数 N 级的振荡频率有如下公式： - \(f_{osc} = 1 / N(t_1 - t_2)\) - \(f_{osc} = I_D / (N * C_{tot} * V_{DD})\) 当 \(V_{inVCO} = V_{DD}/2\) 且 \(I_D = I_{center}\) 时，\(f_{osc} = f_{centre}\)。 ### 1.2 物理设计 将网表转换为硅片需要精确的电路映射，包括器件尺寸、布局和互连细节。VCO 的最终布局消耗 697 \(μm^2\) 的硅面积。 ### 1.3 结果与讨论 #### 1.3.1 瞬态分析 电路的瞬态分析显示，在典型情况下产生的频率为 1.06 GHz。从图中电路测量得出，各级之间的延迟分别为：V1 到 V2 为 326ps，V2 到 V3 为 306ps，V3 回到 V1 为 304ps，总延迟为 936ps，对应频率为 1.068GHz。该电路针对所有工艺角进行了模拟，电源变化 10%，温度范围从 -40°C 到 125°C。 #### 1.3.2 不同架构比较 | 架构 | 技术 | 频率范围 | 相位噪声 | | --- | --- | --- | --- | | 架构 - 1 | 180 - nm CMOS 技术 | 3 级，5.16GHz - 5.93 GHz | -99.5 dBc/Hz at 1 - MHz 偏移，中心频率 5.79 - GHz | | 架构 - 2 | 0.35µm - 2P3M - COS 技术 | 3 级，1.25 GHz | -20dBc/Hz at 100kHz | | 架构 - 3 | 0.8µm 高压 CMOS/DMOS 技术，5V | 3 级，13 Hz - 407 MHz | --- | | 本文架构 | UMC180nm 技术，1.8V | 3 级，970 MHz - 1.03 GHz | --- | #### 1.3.3 预布局与后布局仿真结果 | 角 | 电源电压（V） | 预布局频率范围（GHz） | 后布局频率范围（GHz） | | --- | --- | --- | --- | | 典型 | 1.8 | 1.063 | 1.047 | | 典型 | 1.68 | 0.971 | 0.958 | | 典型 | 1.92 | 1.151 | 1.132 | | 慢 | 1.8 | 1.024 | 0.935 | | 慢 | 1.68 | 0.857 | 0.851 | | 慢 | 1.92 | 0.945 | 1.015 | | 快 | 1.8 | 1.180 | 1.154 | | 快 | 1.68 | 1.083 | 1.061 | | 快 | 1.92 | 1.271 | 1.241 | | Snfp | 1.8 | 1.144 | 1.040 | | Snfp | 1.68 | 0.968 | 0.953 | | Snfp | 1.92 | 1.058 | 1.123 | | Fnsp | 1.8 | 1.063 | 1.050 | | Fnsp | 1.68 | 0.970 | 0.959 | | Fnsp | 1.92 | 1.152 | 1.136 | ### 1.4 结论 设计并实现了频率为 1GHz 的电压控制振荡器。提取了寄生参数，对所有工艺角进行了后标注电路仿真，温度范围从 -40°C 到 125°C。瞬态分析表明，典型情况下获得的频率为 1.06GHz，最坏情况下为 860MHz，电源变化 10%。结果显示，在 970MHz 到 1.03GHz 频率范围内，输出频率与控制电压呈线性变化。所实现的架构适用于 1.06GHz 频率，通过改变有源器件长度和延迟级电流可实现更高频率。 ## 2. 基于定量反馈理论（QFT）的柔性传输系统鲁棒 PID 控制器设计 ### 2.1 引言 许多实际系统具有高度不确定性，传统控制难以保证系统性能，因此需要为不确定系统设计鲁棒控制。QFT 能有效处理参数不确定性和相位信息，反馈系统通常采用二自由度结构。PID 控制器是工业控制系统中广泛使用的反馈机制。 ### 2.2 一些预备知识 #### 2.2.1 PID 控制器基础 比例 - 积分 - 微分（PID）控制是工业控制系统中最常用的控制器类型。并行形式的 PID 控制器控制方程为： - \(u = K_p(1 + \frac{1}{T_is} + T_ds)e\) - 可改