低功耗頻率綜合器及其校準技術(shù)的研究與實現(xiàn).pdf

1、頻率綜合器(FS，frequency synthesizer)是集成電路中最關鍵的電路模塊之一，被廣泛的用于產(chǎn)生時鐘信號驅(qū)動數(shù)字電路/系統(tǒng);或者用于產(chǎn)生有線/無線通信系統(tǒng)中的本振信號，實現(xiàn)收發(fā)機傳輸信號的上/下變頻。頻率綜合器的相位噪聲、頻率精度、功耗等性能指標直接影響著整個系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，因此研究和設計高性能的頻率綜合器是十分有必要的。本文分別對低功耗恒定環(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雜度的鎖相環(huán)兩點調(diào)制器進行研究

2、，通過理論分析并進行了測試驗證。本文創(chuàng)新點有以下幾點:(1)提出一種基于高速頻率檢測器的全數(shù)字自動校準電路和一種低功耗寬帶環(huán)形振蕩器，從而實現(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)提出一種開環(huán)溫度補償技術(shù)，實時校準振蕩器的工作頻率，從而保證振蕩器工作頻率與溫度基本無關，并基于該技術(shù)實現(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)頻率綜合器的一個重要參數(shù)，直接影響著鎖相環(huán)的噪聲性能、鎖定時間和穩(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)頻率綜合器設計的難點。本文一種提出基于高速頻率檢測器的全數(shù)字自動校準電路，通過在片快速檢測VCO的工作頻率和VCO

4、調(diào)諧增益，計算出用于保證環(huán)路帶寬恒定的電荷泵增益，實現(xiàn)鎖相環(huán)環(huán)路帶寬校準;該校準方式的精度不受PVT變化的影響，且校準時間短。
　　VCO作為鎖相環(huán)頻率綜合器中最為關鍵的模塊，工作在最高頻率，其噪聲性能對鎖相環(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)，通過控制流過振蕩器的電流實現(xiàn)頻率粗調(diào)

5、，采用變?nèi)莨軐崿F(xiàn)頻率細調(diào);通過兩種調(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)字自動校準電路和低功耗寬帶RVCO，實現(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、實現(xiàn)，面積為0.045mm2、功耗為3mW。從10KHz到40MHz對輸出相位噪聲積分的時鐘抖動為2.4ps，峰-峰值時鐘抖動為15ps。在整個工作頻帶內(nèi)，鎖相環(huán)環(huán)路帶寬基本不變?；趩蜗辔桓咚兕l率檢測器的全數(shù)字自動校準電路的校準時間為11.2μs，基于多相位高速頻率檢測器的全數(shù)字自動校準電路的校準時間為1.9μs，驗證了全數(shù)字自動校準電路能夠快速、準確地實現(xiàn)環(huán)路帶寬校準。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，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)簡單、噪聲性能優(yōu)越受到國內(nèi)外學者的關注。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。本文提出一種開環(huán)溫度補償技術(shù)，實時校準振蕩器的工作頻率，從而保證其工作頻率與溫度基本無關?；谔岢龅拈_環(huán)溫度補償技術(shù)，在180nm CMOS工藝上設計了一款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的參考時鐘注入鎖定到2.1GHz時，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的積分時鐘抖動為0.364ps。通過仿真驗證了該開環(huán)溫度補償技術(shù)的有效性，溫度在-20℃-85℃范圍內(nèi)變化時，提出的開環(huán)溫度補償技術(shù)可以將該LC振蕩器工作頻率變化從13MHz減小到1MHz。相對于閉環(huán)校準技術(shù)，開環(huán)溫度補償技術(shù)以較小的代價保證注入鎖定振蕩器的性能不受溫度的影響。
　　在短距

10、離無線通信(如Zigbee、Bluetooth Low Energy)中，通常使用頻率調(diào)制(FM，F(xiàn)requency Modulation)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。這類設備通常需要低功耗設計以獲取更長的使用時間和待機時間。此外，設備的成本高低也是產(chǎn)品成功與否的關鍵?；阪i相環(huán)頻率綜合器的兩點調(diào)制器省去傳統(tǒng)調(diào)制器中的上變頻混頻器、驅(qū)動電路等模塊，功耗和復雜度都較低、占用面積較小。而兩點調(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，兩點調(diào)制器通常采用額外的閉環(huán)或開環(huán)校準電路實現(xiàn)增益失配校準，但這些校準方式以較多的功耗、面積或鎖定時間為代價。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，降低兩點調(diào)制器的頻率調(diào)制誤差。其中，通過電容減敏技術(shù)可以增大頻率調(diào)諧變?nèi)莨艿某叽纾瑴p小工藝對高通調(diào)制路徑增益的影響;采用分布式偏置變?nèi)莨?，改善頻率調(diào)諧曲線的線性度。與其他的校準方式相比，該方案不需要額外的校準電路，可以實現(xiàn)低功耗功耗低、低復雜度設計，符合短距離無線