基于時(shí)間窗鑒相和相位-電壓轉(zhuǎn)換的射頻鎖相環(huán)及基于超材料的毫米波振蕩器.pdf

1、隨著頻率綜合器、無線通信技術(shù)及射頻收發(fā)機(jī)的飛速發(fā)展，人們對(duì)其中最核心的高性能低功耗鎖相環(huán)的需求不斷增長，因此人們不斷地探索低功耗、低雜散、低噪聲的鎖相環(huán)設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)2.1GHz的不含分頻器的低功耗、低雜散、低噪聲鎖相環(huán)。該鎖相環(huán)采用了一種新的基于時(shí)間窗鑒相(Aperture-Phase-Detector，APD)和相位到模擬電壓轉(zhuǎn)換(Phase-to-Analog Converter, PAC)的方法，產(chǎn)生一個(gè)正比于參考時(shí)

2、鐘REF和VCO(Volatege-Controlled-Oscillator)相位差的模擬電壓信號(hào)，然后用這一模擬電壓信號(hào)去控制電荷泵(Charge Pump，CP)的電流幅度。鎖定時(shí)的CP充、放電電流脈寬相等且幅度相等并接近于0，因此有效地降低了鎖相環(huán)的雜散和CP的功耗。其次，與傳統(tǒng)鎖相環(huán)相比，在同樣CP偏置電流時(shí)，本文提出的CP可以極大地提高其反饋增益，因此有效地降低了CP的噪聲貢獻(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了低帶內(nèi)相位噪聲。再次，由于APD可以直接

3、對(duì)REF和VCO進(jìn)行鑒相而不需要分頻器，因此環(huán)路在鎖定之后，分頻器可以關(guān)斷以消除其功耗和噪聲貢獻(xiàn)。另外，本文提出了可調(diào)的環(huán)路增益設(shè)計(jì)方法去減小鎖相環(huán)的積分相位噪聲。該鎖相環(huán)采用了TSMC0.13μm1.2-V CMOS工藝設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)，功耗為3mW，芯片的核心面積為0.48mm×0.86mm。測(cè)試得到的參考時(shí)鐘雜散為-80dBc/-74dBc，100kHz頻偏處的帶內(nèi)相位噪聲為-103 dBc/Hz。
　　另外，近些年來，隨著CMO

4、S工藝技術(shù)的進(jìn)步，器件特征尺寸不斷減小，特征頻率（fT）不斷提高，高速無線通信的毫米波應(yīng)用已經(jīng)成為可能。作為收發(fā)機(jī)中最關(guān)鍵的模塊，振蕩器的性能至關(guān)重要。然而，在毫米波頻段，無源器件的襯底和金屬互聯(lián)損耗惡化了傳統(tǒng)電感電容諧振腔的品質(zhì)因數(shù)，因此進(jìn)一步惡化了振蕩器的相位噪聲。超材料作為一種新興材料，近些年來引起了人們的極大關(guān)注，與傳統(tǒng)的電感電容諧振腔相比，其獨(dú)特的電磁特性可以極大地提高諧振腔的品質(zhì)因數(shù)。在這種研究背景下，本文設(shè)計(jì)了基于開口環(huán)諧

5、振腔(Split-Ring-Resonator, SRR)差分超材料傳輸線的毫米波振蕩器，該差分超材料傳輸線增強(qiáng)了SRR與傳輸線之間的電磁能量耦合，提高了SRR差分傳輸線諧振腔的品質(zhì)因數(shù)，進(jìn)而降低了振蕩器的相位噪聲。該毫米波振蕩器采用STM65nm RF-CMOS工藝設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)，芯片核心面積為0.38mm×0.32mm，在1V的電源電壓下，功耗為2.7mW，測(cè)試得到的振蕩器的振蕩頻率為76GHz，在10MHz頻偏處的相位噪聲為-108.