为了满足日益增长的无线宽带需求，第五代移动通信系统应运而生，它将提供极高的数据传输速率、超低延迟、海量且超可靠的网络连接。为了满足更高的数据传输速率，势必需要更大带宽的系统，而6 GHz以下频段的可用带宽不足以满足这些要求，因此，第五代移动通信系统将会用到包括28 GHz、39 GHz在内的毫米波频段。频率合成器是射频系统中非常关键的一个模块，它提供高稳定度的信号给射频收发机，其相位噪声会限制射频收发机的最大频谱效率。在毫米波频段，一般选用的是锁相环频率合成技术。锁相环的带内相位噪声是由参考频率的相位噪声主导的，带外噪声主要是由压控振荡器的相位噪声主导的，为了降低锁相环输出相位噪声，一个低相位噪声的压控振荡器是必不可少的。
　　本文首先介绍了国内外压控振荡器的研究现状，然后研究了振荡器的基本原理，包括振荡器的分析方法、压控振荡器的性能指标、相位噪声分析方法，然后介绍了毫米波压控振荡器设计中常用的无源器件。
　　在理解了上述基本原理后，本文设计了三种毫米波振荡器芯片。
　　1、基于65 nm CMOS工艺的26-31 GHz压控振荡器芯片，电路采用传统的Class-B结构，通过4位二进制加权开关电容组与变容管联合调谐扩大了调谐范围、LC噪声滤波电路降低相位噪声。测试结果表明，在1V电源电压下，压控振荡器核心电路的功耗为4.1 mW，调谐范围为26~31 GHz，在26 GHz频率下，1 MHz频偏处的相位噪声为-102.8 dBc/Hz。
　　2、基于40 nm CMOS工艺的17.5-20.5 GHz压控振荡器芯片，首先介绍了这个芯片整体的结构：压控振荡器、压控振荡器的缓冲器、两个二分频器、分频器的缓冲器。然后介绍了其中的17.5-20.5 GHz压控振荡器以及压控振荡器缓冲器的原理图设计、版图设计和电磁场仿真。测试结果表明，在1V电源电压下，压控振荡器核心电路的功耗为4.5 mA，调谐范围为16~20 GHz，在18 GHz频率下，1 MHz频偏处的相位噪声为-108 dBc/Hz，经过两个二分频后，1 MHz频偏处的相位噪声为-120 dBc/Hz。
　　3、基于65 nm CMOS工艺的变压器耦合型压控振荡器芯片，变压器耦合型压控振荡器把传统压控振荡器的单谐振网络换成了基于变压器的多谐振网络，通过调整谐振点使得振幅变成类方波，达到降低相位噪声的作用。同时，通过变压器将可调电容与交叉耦合晶体管分开，避免了交叉耦合晶体管、缓冲器的寄生电容作为固定电容，从而扩大振荡器的调谐范围。后仿真结果表明，在1V电源电压下，变压器耦合型压控振荡器核心电路功耗为6.9~8.3 mW，调谐范围为16.62~20.23 GHz，1 MHz频偏处最好的相位噪声为-113.6 dBc/Hz，最差的相位噪声为-108.4 dBc/Hz。