發(fā)布時(shí)間：2020-08-06 13:01

【摘要】：鎖相環(huán)頻率綜合器被廣泛應(yīng)用于射頻無(wú)線收發(fā)機(jī)前端中,為上變頻或下變頻提供本振信號(hào)。CMOS工藝尺寸的不斷縮小和晶體管本征頻率不斷提高為高頻率的頻率綜合器設(shè)計(jì)提供了可靠的工藝基礎(chǔ)。在高頻頻率綜合器的系統(tǒng)與關(guān)鍵電路性能指標(biāo)中,本振的相位噪聲限制了系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的最終信噪比以及系統(tǒng)的最小誤碼率。隨著無(wú)線收發(fā)機(jī)應(yīng)用的高速發(fā)展,寬頻帶、低相位噪聲和高能效成為鎖相環(huán)頻率綜合器的研究熱點(diǎn)方向。本文圍繞高性能CMOS全集成頻率綜合器的系統(tǒng)與關(guān)鍵模塊電路設(shè)計(jì)方法展開(kāi)。具體的研究工作體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:論文首先介紹了鎖相環(huán)頻率綜合器的系統(tǒng)架構(gòu)及其相關(guān)的性能指標(biāo),建立了鎖相環(huán)頻率綜合器的S域線性時(shí)不變系統(tǒng)模型,并分析了簡(jiǎn)單鎖相環(huán)的環(huán)路特性。基于三階及四階鎖相環(huán)環(huán)路濾波器的特性分析,研究了鎖相環(huán)頻率綜合器的環(huán)路穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)特性,獲得了鎖相環(huán)各個(gè)模塊的相位噪聲傳遞函數(shù),指導(dǎo)鎖相環(huán)系統(tǒng)參數(shù)以及模塊電路的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的交叉耦合壓控振蕩器(VCO)因其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和低的相位噪聲而受到廣泛的關(guān)注,C類VCO是傳統(tǒng)交叉耦合VCO的一種改進(jìn)結(jié)構(gòu)。相比于傳統(tǒng)的交叉耦合VCO,C類VCO的相位噪聲更低。但是高頻的C類VCO存在可靠性差、振幅不穩(wěn)定性和調(diào)諧線性差的問(wèn)題,為了滿足鎖相環(huán)頻率綜合對(duì)VCO的相位噪聲和環(huán)路穩(wěn)定性的要求,本文設(shè)計(jì)了一款低噪聲、寬頻帶的C類VCO。該VCO包含兩個(gè)控制環(huán)路,偏置穩(wěn)定反饋環(huán)路使交叉耦合管偏置在C類工作模式,振幅調(diào)整反饋環(huán)路用于檢測(cè)并控制VCO的振幅。在起振時(shí),提出的雙反饋環(huán)路VCO產(chǎn)生時(shí)變的偏置電流;在VCO穩(wěn)定后,根據(jù)特定需要調(diào)整VCO輸出擺幅,從而實(shí)現(xiàn)VCO功率和相位噪聲的優(yōu)化。該VCO采用TSMC CMOS 65nm 1P9M工藝設(shè)計(jì)流片,供電電壓為1.2V,功耗為8.2mW。VCO頻率調(diào)諧范圍10.3~11.96GHz,調(diào)諧增益約為110MHz/V,輸出載波頻率偏移1MHz處的相位噪聲小于-106dBc/Hz。當(dāng)雙反饋環(huán)路開(kāi)啟后,VCO的振幅調(diào)整反饋環(huán)路檢測(cè)擺幅并判斷VCO需要調(diào)整振幅,測(cè)試的VCO輸出頻率為11.96GHz,在距離載波頻率偏移100KHz處的相位噪聲從-76dBc/Hz降低到-85dBc/Hz,而在距離載波頻率偏移1MHz處的相位噪聲從-102dBc/Hz降低到-106dBc/Hz。本文基于TSMC CMOS 65nm 1P9M工藝設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了雙環(huán)VCO分?jǐn)?shù)分頻鎖相環(huán)頻率綜合器的具體電路。由于頻率綜合器的相位噪聲與建立時(shí)間均受溫度、工藝條件、電壓波動(dòng)等非理想因素的影響,因此,適當(dāng)?shù)挠嗔吭O(shè)計(jì)與可配置調(diào)控變得不可避免。文中設(shè)計(jì)了可編程環(huán)路濾波器、可編程輸出電流電荷泵、可編程死區(qū)時(shí)間鑒頻鑒相器、高速寬分頻比的分頻器和可控時(shí)間自動(dòng)頻率校正電路。鎖相環(huán)的模塊可編程設(shè)計(jì)方法不僅使模塊克服工藝和外部環(huán)境的變化,還可以靈活調(diào)整鎖相環(huán)的環(huán)路帶寬和建立時(shí)間�？膳渲玫沫h(huán)路參數(shù)可以有效地減弱鎖相環(huán)外部的非理想因素的影響。帶隙參考電流源為可編程電荷泵提供一個(gè)穩(wěn)定的、無(wú)溫漂和低噪聲的基準(zhǔn)電流源。高速可編程分頻器包含一個(gè)高速預(yù)分頻器和一個(gè)可編程的多模分頻器,多模分頻器采用簡(jiǎn)并TSPC觸發(fā)器與組合邏輯的方式來(lái)減少傳輸延遲和提高工作頻率。數(shù)字ΔΣ調(diào)制器輸出調(diào)制信號(hào)控制多模分頻器實(shí)現(xiàn)小數(shù)分頻。頻率綜合器的輸出使用緩沖電路匹配50歐姆的測(cè)試探頭。在1.2V的供電電壓下,該鎖相環(huán)頻率綜合器的功耗為18.2mW,該芯片核心面積為1.5mm~2(包含片內(nèi)集成的環(huán)路濾波器)。測(cè)試結(jié)果表明:輸出頻率范圍為10.3~11.96GHz,距離載波頻率偏移1MHz處的相位噪聲小于-106dBc/Hz。環(huán)路帶寬為180kHz,積分抖動(dòng)小于1ps,FoM值為-228dB,參考雜散和分?jǐn)?shù)雜散不超過(guò)-69.3dBc。VCO的振幅控制電路檢測(cè)輸出擺幅并判斷VCO需要提高擺幅時(shí),頻率綜合器在載波頻率為11.96GHz,在距離載波頻偏100KHz處,頻率綜合器的相位噪聲從-73dBc/Hz降低到了-80dBc/Hz,而在距離載波頻偏1MHz處,頻率綜合器的相位噪聲從-103dBc/Hz降低到了-106dBc/Hz。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN74;TN911.8
【圖文】：

與阻尼系數(shù)ζ對(duì)應(yīng)。由此可知，對(duì)確定誤差 ε(t)的情況下，系數(shù)的歸一化鎖定時(shí)間與相位裕度有關(guān)。圖2.11 在不同ζ值時(shí)歸一化頻率誤差建立特性在設(shè)計(jì)三階鎖相環(huán)電路時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)穩(wěn)定性、鎖定時(shí)間和相位噪聲等參數(shù)指標(biāo)得出相位裕度以及單位增益帶寬。并由式(2-10)和(2-12)計(jì)算環(huán)路濾波器中的電容 C1，

(2-48)圖2.14 不同 α 和 b 值時(shí)的四階鎖相環(huán)輸出頻率誤差鎖定過(guò)程確定系數(shù) a 和 b 以及 D、E，通過(guò)式(2-48)可以得到鎖相環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)的算式。最后實(shí)現(xiàn)的方程式與三階鎖相環(huán)的過(guò)程類似。在鎖相環(huán)的分頻比的變化量非常微小(從 N 變化到 N+n)的情況下，進(jìn)行拉普拉斯反變換即可求出鎖相環(huán)的歸一化計(jì)算后

分頻器與參考時(shí)鐘有相同傳遞特性如圖 2.17(a), 電荷泵的低通特性如圖 2.17(b)，環(huán)路濾波器的帶通特性如圖 2.7(c)，VCO 的高通特性如圖 2.17(d)。圖2.17 鎖相環(huán)相位噪聲傳輸特性(a) 參考時(shí)鐘和分頻器 (b)電荷泵 (c)環(huán)路濾波器 (d)VCO

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