發(fā)布時(shí)間：2018-11-02 18:10

【摘要】：毫米波寬帶分頻器作為毫米波頻率綜合器中的關(guān)鍵模塊之一,用于對(duì)VCO的輸出信號(hào)進(jìn)行分頻從而獲得穩(wěn)定的本振信號(hào)。其性能極大地影響整個(gè)毫米波頻率綜合器性能,因此設(shè)計(jì)高速、低功耗、分頻比可變的分頻器具有重要的意義。根據(jù)ALMA Bandl(31.3～45GHz)硅基成像陣列鎖相環(huán)頻率綜合器的系統(tǒng)指標(biāo)要求,鎖相環(huán)應(yīng)工作在27.3-33GHz頻率范圍內(nèi),輸入?yún)⒖碱l率設(shè)定為50MHz。因此,本文需要設(shè)計(jì)的毫米波寬帶分頻器工作頻率應(yīng)覆蓋27.3-33GHz,分頻比為546-660。為了達(dá)到0.1GHz的頻率分辨率,本文采用二分頻器與可編程分頻器級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)。為了滿足毫米波寬帶需求本文提出的毫米波寬帶分頻器由毫米波寬帶二分頻器和基于脈沖吞咽計(jì)數(shù)器的可編程分頻器組成。本文最后給出了該毫米波寬帶分頻器在硅基成像陣列鎖相環(huán)中的應(yīng)用方案。本文采用90nm CMOS工藝對(duì)各芯片進(jìn)行了電路設(shè)計(jì)、前仿真、版圖設(shè)計(jì)、后仿真,并進(jìn)行了流片和測(cè)試驗(yàn)證。毫米波寬帶二分頻器采用兩級(jí)DCML觸發(fā)器結(jié)構(gòu),利用螺旋電感和傳輸線電感的串聯(lián)峰化作用對(duì)帶尾電流源的DCML分頻器和Razavi結(jié)構(gòu)DCML分頻器進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn),提高了輸入靈敏度,并通過(guò)優(yōu)化電路尺寸和采用偽對(duì)稱版圖設(shè)計(jì)首次將Razavi結(jié)構(gòu)二分頻器的工作頻率提高到40GHz。測(cè)試結(jié)果表明,改進(jìn)的Razavi結(jié)構(gòu)DCML分頻器實(shí)現(xiàn)了300MHz～40GHz工作頻率、-40dBm輸入靈敏度、最低功耗為0.96mmW的高性能毫米波寬帶分頻,芯片面積為0.51x0.50mm2�；诿}沖吞咽計(jì)數(shù)器的可編程分頻器由8/9雙模分頻器和可編程脈沖吞咽計(jì)數(shù)器構(gòu)成。其中8/9雙模分頻器采用改進(jìn)的內(nèi)嵌或門的CML同步4/5分頻器和異步二分頻器結(jié)構(gòu),后仿真結(jié)果表明該雙模分頻器能夠工作在10-20GHz；最低輸入電壓幅度為50mV.功耗最低僅為3.84mW�？删幊堂}沖吞咽計(jì)數(shù)器采用改進(jìn)的帶置數(shù)功能的TSPC D觸發(fā)器,提高了計(jì)數(shù)器工作速度。測(cè)試結(jié)果表明,該可編程分頻器工作頻率為7-20.5GHz；分頻比為16～519；核心電路功耗為8.52mW；輸入靈敏度為-23dBm：芯片面積為0.575×0.475mm2。在改進(jìn)的Razavi結(jié)構(gòu)DCML毫米波寬帶二分頻器和基于脈沖吞咽計(jì)數(shù)器的可編程分頻器研究的基礎(chǔ)上,本文設(shè)計(jì)了一款25-37GHz毫米波寬帶分頻器,測(cè)試結(jié)果表明：該毫米波寬帶分頻器分頻比為32～1038；當(dāng)工作頻率為37GHz、頻偏為1MHz時(shí)的相位噪聲低于-130dBc/Hz,靈敏度優(yōu)于-20dBm,動(dòng)態(tài)功耗為17.88mW：芯片面積為0.730x0.475mm2。同時(shí)將其應(yīng)用于基于CP的ALMA Band 1硅基成像陣列鎖相環(huán)中,測(cè)試結(jié)果表明：該鎖相環(huán)工作的最高工作頻率達(dá)34.027GHz,當(dāng)分頻比為556時(shí),在1MHz頻偏處的相位噪聲為-91.332dBc/Hz、3MHz頻偏處的相位噪聲為-107.612dBc/Hz。該鎖相環(huán)功耗為30.72mW,芯片面積為1.32x1.01mm2。綜上,本文設(shè)計(jì)的毫米波寬帶分頻器可用于ALMA Band1硅基成像陣列鎖相環(huán)以及其它毫米波頻率綜合器中。
[Abstract]:As one of the key modules of millimeter-wave frequency synthesizer, millimeter-wave wideband frequency divider is used to divide the output signal of VCO to obtain stable local oscillator signal. Its performance greatly affects the performance of the whole millimeter-wave frequency synthesizer, so it is of great significance to design a frequency divider with high speed, low power consumption and variable frequency division ratio. According to the system requirements of ALMA Bandl (31.3~45GHz) silicon imaging array PLL frequency synthesizer, PLL should work in the 27.3-33GHz frequency range, the input reference frequency is set to 50MHz. Therefore, the working frequency of the millimeter wave wideband frequency divider to be designed in this paper should cover 27.3-33 GHz, and the frequency division ratio is 546-660. In order to achieve the frequency resolution of 0.1GHz, a cascade structure of two frequency divider and programmable frequency divider is adopted in this paper. In order to meet the requirement of millimeter-wave broadband, the millimeter-wave frequency divider proposed in this paper consists of a millimeter-wave wideband frequency divider and a programmable divider based on pulse swallowing counter. Finally, the application scheme of the millimeter wave wideband frequency divider in silicon based imaging array PLL is presented. In this paper, the circuit design, pre-simulation, layout design, post-simulation, flow sheet and test verification of each chip are carried out by using 90nm CMOS process. The millimeter-wave wideband frequency divider adopts two-stage DCML flip-flop structure. The DCML divider with tail current source and the DCML divider with Razavi structure are designed and improved by using the series peak action of spiral inductor and transmission line inductor, and the input sensitivity is improved. By optimizing the circuit size and using pseudo-symmetric layout, the frequency of Razavi divider is increased to 40 GHz for the first time. The test results show that the improved DCML divider with Razavi structure realizes the 300MHz~40GHz frequency, the input sensitivity of 40dBm, and the minimum power dissipation is 0.96mmW. The chip area is 0.51x0.50mm2. The programmable divider based on pulse swallowing counter is composed of 8 / 9 dual mode frequency divider and programmable pulse swallowing counter. The 8 / 9 dual-mode divider uses an improved CML synchronous 4 / 5 frequency divider and an asynchronous dicusser structure. The simulation results show that the dual-mode divider can work at 10-20 GHz and the minimum input voltage amplitude is 50 MV. The lowest power consumption is only 3.84 MW. The programmable pulse swallowing counter adopts the improved TSPC D flip-flop with the function of number setting, which improves the working speed of the counter. The test results show that the frequency of the programmable divider is 7-20.5 GHz, the frequency division ratio is 16519, the power consumption of the core circuit is 8.52 MW, the input sensitivity is -23dBmand, the chip area is 0.575 脳 0.475mm2m2. Based on the research of the improved Razavi DCML millimeter wave wideband frequency divider and the programmable frequency divider based on pulse swallowing counter, a 25-37GHz millimeter wave wideband frequency divider is designed in this paper. The test results show that the frequency division ratio of the millimeter-wave wideband frequency divider is 32 / 1038. When the operating frequency is 37GHz and the frequency offset is 1MHz, the phase noise is lower than -130dBc / Hz, the sensitivity is better than -20dBm, the dynamic power consumption is 17.88mW, and the chip area is 0.730x0.475mm ~ 2. At the same time, it is applied to the ALMA Band _ 1 silicon-based imaging array phase-locked loop based on CP. The test results show that the highest working frequency of the PLL is 34.027 GHz, and the phase noise at the 1MHz frequency offset is -91.332 dBc / Hz when the frequency division ratio is 556. The phase noise at the frequency offset of 3MHz is -107.612 dBc / Hz. The power consumption of the PLL is 30.72 MW and the chip area is 1.32 x 1.01mm-2. In summary, the millimeter-wave wideband frequency divider designed in this paper can be used in ALMA Band1 silicon-based imaging array PLL and other millimeter-wave frequency synthesizers.
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN772;TN402

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 曾秋玲;蔡竟業(yè);文光俊;王永平;;高速低功耗多模分頻器的設(shè)計(jì)[J];微電子學(xué);2009年03期

2 王啟榮;佟金龍;俞忠;;超高速可變分頻器[J];計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò);1984年01期

3 高文英;;兩位數(shù)超高速程序分頻器[J];火控雷達(dá)技術(shù);1985年02期

4 藍(lán)偉強(qiáng);;分頻系數(shù)可調(diào)的分頻器[J];電氣時(shí)代;1986年03期

5 龐立恒;邴好興;;小數(shù)點(diǎn)分頻器[J];電氣傳動(dòng);1986年04期

6 江峰;;BoeingVHF-618M-2D可變分頻器[J];中國(guó)民航學(xué)院學(xué)報(bào);1986年02期

7 徐平原;程序分頻器的工程設(shè)計(jì)[J];電子技術(shù)應(yīng)用;1991年12期

8 劉振芳;;高速程序分頻器[J];無(wú)線電通信技術(shù);1991年04期

9 武俊齊;國(guó)外硅雙極分頻器發(fā)展概況[J];微電子學(xué);1992年05期

10 武俊齊;動(dòng)態(tài)分頻器技術(shù)[J];微電子學(xué);1994年04期

相關(guān)會(huì)議論文 前5條

1 范峻;馮正和;;應(yīng)用諧波注入鎖定原理的分頻器[A];1997年全國(guó)微波會(huì)議論文集（上冊(cè)）[C];1997年

2 陳如山;孫敏松;林建輝;;變?nèi)莨軈⒘糠诸l器[A];1991年全國(guó)微波會(huì)議論文集（卷Ⅱ）[C];1991年

3 楊博;牛中奇;侯建強(qiáng);王坤鵬;;分頻器跳變周期及環(huán)路濾波器帶寬對(duì)線性調(diào)頻信號(hào)線性度的影響研究[A];2010全國(guó)虛擬儀器大會(huì)暨M(jìn)CMI2010’會(huì)議論文集[C];2010年

4 應(yīng)子罡;呂昕;高本慶;高建峰;李拂曉;;GaAs高速動(dòng)態(tài)分頻器的實(shí)現(xiàn)[A];2003'全國(guó)微波毫米波會(huì)議論文集[C];2003年

5 章霖;;基于CPLD的1.5分頻器原理與實(shí)現(xiàn)方法[A];第十七屆全國(guó)測(cè)控計(jì)量?jī)x器儀表學(xué)術(shù)年會(huì)（MCMI'2007）論文集（上冊(cè)）[C];2007年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前10條

1 陜西 劉安軍;可預(yù)置的任意進(jìn)制分頻器及其應(yīng)用實(shí)例[N];電子報(bào);2003年

2 山東 鄒天漢;電子分頻器(濾波器)的設(shè)計(jì)與制作(三)[N];電子報(bào);2011年

3 山東 鄒天漢;電子分頻器(濾波器)的設(shè)計(jì)與制作(四)[N];電子報(bào);2011年

4 沈陽(yáng) 王寶亮;無(wú)源電子分頻器的設(shè)計(jì)方法[N];電子報(bào);2003年

5 濟(jì)南 司朝良;基于CPLD的占空比為50%的分頻器[N];電子報(bào);2001年

6 山東 鄒天漢;電子分頻器(濾波器)的設(shè)計(jì)與制作(一)[N];電子報(bào);2011年

7 河北張家口 梁真;音箱的修理[N];電子報(bào);2010年

8 深圳 易然;PS/2接口接地引起的問(wèn)題[N];電腦報(bào);2001年

9 江蘇 陳化南;點(diǎn)評(píng)電子分頻[N];電子報(bào);2006年

10 廣西 劉榮明;電視信道監(jiān)控器的制作[N];電子報(bào);2006年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 郭婷;應(yīng)用于硅基成像陣列的毫米波寬帶分頻器研究與芯片設(shè)計(jì)[D];東南大學(xué);2015年

2 潘灝;TD-SCDMA分頻器的研究與設(shè)計(jì)[D];安徽大學(xué);2012年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 程和遠(yuǎn);超高速二分頻器電路的設(shè)計(jì)及其γ輻射研究[D];西安電子科技大學(xué);2011年

2 張健;基于40nm CMOS工藝的60 GHz注入鎖定分頻器的研究與設(shè)計(jì)[D];山東大學(xué);2015年

3 蘇夢(mèng)瑤;小數(shù)頻綜中抗輻照數(shù)字電路的研究與設(shè)計(jì)[D];浙江大學(xué);2016年

4 劉楠;60GHz無(wú)線收發(fā)機(jī)中多模分頻器的設(shè)計(jì)[D];東南大學(xué);2015年

5 羅沖;一種基于MCML和TSPC的分頻器設(shè)計(jì)[D];貴州大學(xué);2015年

6 王菲菲;適用于無(wú)線局域網(wǎng)的可編程分頻器設(shè)計(jì)[D];安徽大學(xué);2010年

7 馬雪坡;高速分頻器研究[D];天津大學(xué);2009年

8 師政;高性能動(dòng)態(tài)分頻器的研究與設(shè)計(jì)[D];西安電子科技大學(xué);2014年

9 魏來(lái);6G超寬帶源耦合邏輯分頻器[D];復(fù)旦大學(xué);2008年

10 葉云飛;數(shù)字電視調(diào)諧器中可編程分頻器設(shè)計(jì)[D];安徽大學(xué);2007年

，

本文編號(hào)：2306561