GHz寬帶高性能頻率合成器關(guān)鍵電路研究.pdf

1、人們?nèi)粘Ｉ畹男枨蟠偈沽嗽絹碓蕉嗟臒o線通信標(biāo)準(zhǔn)相繼被發(fā)布。以GSM和W-CDMA為代表的第二代和第三代無線移動通信系統(tǒng)因為依賴現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施不能應(yīng)用在地震災(zāi)區(qū)等場所；以藍牙（Bluetooth）和無線局域網(wǎng)（WLAN）為代表的短距離無線通信協(xié)議因為支持的點對點通信距離不夠遠(yuǎn)（小于100m）以至于不能應(yīng)用于大規(guī)模無線移動自組網(wǎng)。為了給消費者提供更大的便利，研究既能兼容已有無線通信協(xié)議又能支持遠(yuǎn)距離點對點通信的無線收發(fā)器成為了新的亮點。因為降

2、低無線收發(fā)器的載波頻率可以增大點對點的無線通信距離，無線收發(fā)器覆蓋的最低頻率為50MHz。同時為了覆蓋GSM、W-CDMA和WLAN等絕大多數(shù)無線通信協(xié)議，收發(fā)器支持的頻段為50MHz到2.5GHz。本論文研究寬帶覆蓋的頻率合成器（FS，F(xiàn)requency Synthesis），為無線收發(fā)器提供50MHz到2.5GHz的本振頻率。
　　寬帶覆蓋導(dǎo)致低相位噪聲和快速鎖定FS的設(shè)計具有一定的挑戰(zhàn)性，例如正交壓控振蕩器（Q-VCO，Qu

3、adrature Voltage-Controlled Osillator）很難實現(xiàn)50MHz到2.5GHz的調(diào)諧范圍。本論文分析了適用寬帶FS的架構(gòu)和提出了一系列電路技術(shù)，其由TSMC0.18μm CMOS工藝實現(xiàn)并通過SpectreRF和MATLAB仿真工具進行了驗證。
　　提出了基于動態(tài)自偏置和輔助尾電流自動幅度控制（AAC，Automatic Amplitude Control）的寬帶Q-VCO電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，Q-VCO的頻

4、段覆蓋范圍為1.54GHz到2.8GHz。在沿用動態(tài)偏置優(yōu)點（可以減小Q-VCO尾電流中閃爍噪聲對相位噪聲的貢獻）的同時，Q-VCO利用AAC來避免在高頻段處工作在電壓受限區(qū)，達到優(yōu)化相位噪聲的目的。模擬結(jié)果表明Q-VCO在整個調(diào)諧頻率范圍內(nèi)的幅度變化僅為326mV，較沒有AAC時幅度變化的1/2.25；在100kHz頻偏和2.8GHz載波頻率處有AAC時的相位噪聲為-100.1dBc/Hz，較沒有AAC時改善了2.51dB。
　

5、　設(shè)計了一種快速鎖定的差分雙斜率鑒頻鑒相器（DS-PFD， Dual-Slope Phase Frequency Detector）和雙支路電荷泵（DB-CP，Dual-Branch Charge Pump）的架構(gòu)。差分DS-PFD輸出UP1（DN1）和UP0/UP0n（DN0/DN0n）用于驅(qū)動DB-CP，其中UP0和DN0利用差分輸出實現(xiàn)零時間失配。DB-CP包括粗調(diào)支路和微調(diào)支路。微調(diào)支路被分解為兩條相同的支路，由傳輸門、電阻和單

6、位增益放大器連接用于減小動態(tài)毛刺,同時在源極負(fù)反饋電壓管理器的作用下，通過增加微調(diào)支路的輸出電阻實現(xiàn)全擺幅。當(dāng)輸出頻率從1.544GHz跳到1.559GHz時，F(xiàn)S采用DB-CP時環(huán)路鎖定時間為3.9μs，較僅有微調(diào)支路時快8.3μs。
　　利用“參數(shù)化”技術(shù)設(shè)計了電流模鎖存器，推薦了一種基于電流模鎖存器最小功耗2/3分頻器的設(shè)計方法。根據(jù)以上技術(shù)，設(shè)計了基于2/3分頻器的低功耗可編程多模分頻器（PMMD，Programmable

7、 Multi-Mode Divider）。PMMD的分頻范圍為75到150，功耗為1.62mW，且在10kHz和100kHz相位噪聲分別為-136.41dBc/Hz和-141.57dBc/Hz。
　　通過本論文的工作可以為50MHz到2.5GHz的FS實現(xiàn)打下鋪墊，進一步實現(xiàn)基于FS的調(diào)頻收發(fā)器。此外，提出的新型電路技術(shù)可應(yīng)用到其他射頻電路模塊中，如Q-VCO中降低尾電流噪聲貢獻的思路可應(yīng)用到基于吉爾伯特（Gilbert）的混頻器