低功耗頻率綜合器及其校準(zhǔn)技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn).pdf

1、頻率綜合器(FS，frequency synthesizer)是集成電路中最關(guān)鍵的電路模塊之一，被廣泛的用于產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)數(shù)字電路/系統(tǒng);或者用于產(chǎn)生有線(xiàn)/無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中的本振信號(hào)，實(shí)現(xiàn)收發(fā)機(jī)傳輸信號(hào)的上/下變頻。頻率綜合器的相位噪聲、頻率精度、功耗等性能指標(biāo)直接影響著整個(gè)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，因此研究和設(shè)計(jì)高性能的頻率綜合器是十分有必要的。本文分別對(duì)低功耗恒定環(huán)路帶寬寬帶鎖相環(huán)、諧波注入鎖定振蕩器和低功耗低復(fù)雜度的鎖相環(huán)兩點(diǎn)調(diào)制器進(jìn)行研究

2、，通過(guò)理論分析并進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證。本文創(chuàng)新點(diǎn)有以下幾點(diǎn):(1)提出一種基于高速頻率檢測(cè)器的全數(shù)字自動(dòng)校準(zhǔn)電路和一種低功耗寬帶環(huán)形振蕩器，從而實(shí)現(xiàn)了一款低功耗恒定環(huán)路帶寬寬帶鎖相環(huán)頻率綜合器;(2)提出一種開(kāi)環(huán)溫度補(bǔ)償技術(shù)，實(shí)時(shí)校準(zhǔn)振蕩器的工作頻率，從而保證振蕩器工作頻率與溫度基本無(wú)關(guān)，并基于該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一款低功耗諧波注入鎖定振蕩器;(3)提出將電容減敏技術(shù)和分布式偏置變?nèi)莨芙Y(jié)構(gòu)結(jié)合的方案，降低兩點(diǎn)調(diào)制器的頻率調(diào)制誤差。環(huán)路帶寬作為鎖相環(huán)(

3、PLL，phase-locked loop)頻率綜合器的一個(gè)重要參數(shù)，直接影響著鎖相環(huán)的噪聲性能、鎖定時(shí)間和穩(wěn)定性。在寬帶頻率調(diào)諧的鎖相環(huán)中，由于工作頻率、工藝、電源電壓和溫度(PVT,process voltage and temperature)等因素的變化，導(dǎo)致環(huán)路帶寬發(fā)生巨大的變化。因此保證環(huán)路帶寬恒定，是寬帶鎖相環(huán)頻率綜合器設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。本文一種提出基于高速頻率檢測(cè)器的全數(shù)字自動(dòng)校準(zhǔn)電路，通過(guò)在片快速檢測(cè)VCO的工作頻率和VCO

4、調(diào)諧增益，計(jì)算出用于保證環(huán)路帶寬恒定的電荷泵增益，實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)環(huán)路帶寬校準(zhǔn);該校準(zhǔn)方式的精度不受PVT變化的影響，且校準(zhǔn)時(shí)間短。
　　VCO作為鎖相環(huán)頻率綜合器中最為關(guān)鍵的模塊，工作在最高頻率，其噪聲性能對(duì)鎖相環(huán)的帶外噪聲起著決定性作用，消耗的功耗也是鎖相環(huán)眾多模塊中最大的。本文提出一種低功耗寬帶壓控環(huán)形振蕩器(RVCO，ring voltage-controlled oscillator)結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制流過(guò)振蕩器的電流實(shí)現(xiàn)頻率粗調(diào)

5、，采用變?nèi)莨軐?shí)現(xiàn)頻率細(xì)調(diào);通過(guò)兩種調(diào)諧技術(shù)的結(jié)合，確保壓控環(huán)形振蕩器具有較大的頻率范圍和較小的電壓-頻率調(diào)諧增益。該RVCO結(jié)構(gòu)通過(guò)引入變?nèi)莨茏鳛轭l率調(diào)諧器件，可以避免傳統(tǒng)RVCO中的電壓-電流轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)化了振蕩器和環(huán)路濾波器之間的接口，降低RVCO功耗。
　　基于提出的全數(shù)字自動(dòng)校準(zhǔn)電路和低功耗寬帶RVCO，實(shí)現(xiàn)了一款具有恒定環(huán)路帶寬的1.2-3.6GHz低功耗低噪聲鎖相環(huán)頻率綜合器。該鎖相環(huán)頻率綜合器采用40nm CMOS工藝

6、實(shí)現(xiàn)，面積為0.045mm2、功耗為3mW。從10KHz到40MHz對(duì)輸出相位噪聲積分的時(shí)鐘抖動(dòng)為2.4ps，峰-峰值時(shí)鐘抖動(dòng)為15ps。在整個(gè)工作頻帶內(nèi)，鎖相環(huán)環(huán)路帶寬基本不變?；趩蜗辔桓咚兕l率檢測(cè)器的全數(shù)字自動(dòng)校準(zhǔn)電路的校準(zhǔn)時(shí)間為11.2μs，基于多相位高速頻率檢測(cè)器的全數(shù)字自動(dòng)校準(zhǔn)電路的校準(zhǔn)時(shí)間為1.9μs，驗(yàn)證了全數(shù)字自動(dòng)校準(zhǔn)電路能夠快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)環(huán)路帶寬校準(zhǔn)。提出的RVCO工作在1.2-3.6GHz頻率范圍內(nèi)消耗的功耗為0

7、.9-1.3mW;RVCO工作在3.6GHz時(shí)，頻偏1MHz處的相位噪聲為-87dBc/Hz，頻偏10MHz處的相位噪聲為-111.6dBc/Hz。
　　隨著高性能、高速率通信系統(tǒng)的發(fā)展，要求頻率綜合器不僅要具有較低的功耗，同時(shí)還要有超低的噪聲。諧波注入鎖定振蕩器(SILO，subharmonic injection-locked oscillator)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、噪聲性能優(yōu)越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。然而，由于振蕩器的自由振蕩頻率

8、容易受到溫度變化的影響，導(dǎo)致SILO的相位噪聲、參考雜散等性能惡化，甚至失鎖。本文提出一種開(kāi)環(huán)溫度補(bǔ)償技術(shù)，實(shí)時(shí)校準(zhǔn)振蕩器的工作頻率，從而保證其工作頻率與溫度基本無(wú)關(guān)?；谔岢龅拈_(kāi)環(huán)溫度補(bǔ)償技術(shù)，在180nm CMOS工藝上設(shè)計(jì)了一款2.1GHz的低功耗低噪聲諧波注入鎖定數(shù)控電感電容振蕩器，芯片面積為0.37mm2、功耗為2.5mW。采用100MHz的參考時(shí)鐘注入鎖定到2.1GHz時(shí)，輸出的相位噪聲在頻偏100KHz處的相位噪聲為-11

9、6.8dBc/Hz、在頻偏1MHz處的相位噪聲為-122dBc/Hz、在頻偏10MHz處的相位噪聲為-124dBc/Hz，從1KHz到40MHz的積分時(shí)鐘抖動(dòng)為0.364ps。通過(guò)仿真驗(yàn)證了該開(kāi)環(huán)溫度補(bǔ)償技術(shù)的有效性，溫度在-20℃-85℃范圍內(nèi)變化時(shí)，提出的開(kāi)環(huán)溫度補(bǔ)償技術(shù)可以將該LC振蕩器工作頻率變化從13MHz減小到1MHz。相對(duì)于閉環(huán)校準(zhǔn)技術(shù)，開(kāi)環(huán)溫度補(bǔ)償技術(shù)以較小的代價(jià)保證注入鎖定振蕩器的性能不受溫度的影響。
　　在短距

10、離無(wú)線(xiàn)通信(如Zigbee、Bluetooth Low Energy)中，通常使用頻率調(diào)制(FM，F(xiàn)requency Modulation)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。這類(lèi)設(shè)備通常需要低功耗設(shè)計(jì)以獲取更長(zhǎng)的使用時(shí)間和待機(jī)時(shí)間。此外，設(shè)備的成本高低也是產(chǎn)品成功與否的關(guān)鍵?；阪i相環(huán)頻率綜合器的兩點(diǎn)調(diào)制器省去傳統(tǒng)調(diào)制器中的上變頻混頻器、驅(qū)動(dòng)電路等模塊，功耗和復(fù)雜度都較低、占用面積較小。而兩點(diǎn)調(diào)制器的低通調(diào)制路徑和高通調(diào)制路徑間的增益失配限制了其頻率調(diào)制的

11、性能。因此，兩點(diǎn)調(diào)制器通常采用額外的閉環(huán)或開(kāi)環(huán)校準(zhǔn)電路實(shí)現(xiàn)增益失配校準(zhǔn)，但這些校準(zhǔn)方式以較多的功耗、面積或鎖定時(shí)間為代價(jià)。本文提出將電容減敏技術(shù)和分布式偏置電容結(jié)構(gòu)結(jié)合的方案，降低兩點(diǎn)調(diào)制器的頻率調(diào)制誤差。其中，通過(guò)電容減敏技術(shù)可以增大頻率調(diào)諧變?nèi)莨艿某叽?，減小工藝對(duì)高通調(diào)制路徑增益的影響;采用分布式偏置變?nèi)莨埽纳祁l率調(diào)諧曲線(xiàn)的線(xiàn)性度。與其他的校準(zhǔn)方式相比，該方案不需要額外的校準(zhǔn)電路，可以實(shí)現(xiàn)低功耗功耗低、低復(fù)雜度設(shè)計(jì)，符合短距離無(wú)線(xiàn)