GHz寬帶高性能頻率合成器關鍵電路研究.pdf

1、人們日常生活的需求促使了越來越多的無線通信標準相繼被發(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)因為依賴現有基礎設施不能應用在地震災區(qū)等場所；以藍牙（Bluetooth）和無線局域網（WLAN）為代表的短距離無線通信協議因為支持的點對點通信距離不夠遠（小于100m）以至于不能應用于大規(guī)模無線移動自組網。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議又能支持遠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等絕大多數無線通信協議，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，Frequency Synthesis），為無線收發(fā)器提供50MHz到2.5GHz的本振頻率。
　　寬帶覆蓋導致低相位噪聲和快速鎖定FS的設計具有一定的挑戰(zhàn)性，例如正交壓控振蕩器（Q-VCO，Qu

3、adrature Voltage-Controlled Osillator）很難實現50MHz到2.5GHz的調諧范圍。本論文分析了適用寬帶FS的架構和提出了一系列電路技術，其由TSMC0.18μm CMOS工藝實現并通過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電路拓撲結構，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。模擬結果表明Q-VCO在整個調諧頻率范圍內的幅度變化僅為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。差分DS-PFD輸出UP1（DN1）和UP0/UP0n（DN0/DN0n）用于驅動DB-CP，其中UP0和DN0利用差分輸出實現零時間失配。DB-CP包括粗調支路和微調支路。微調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,同時在源極負反饋電壓管理器的作用下，通過增加微調支路的輸出電阻實現全擺幅。當輸出頻率從1.544GHz跳到1.559GHz時，FS采用DB-CP時環(huán)路鎖定時間為3.9μs，較僅有微調支路時快8.3μs。
　　利用“參數化”技術設計了電流模鎖存器，推薦了一種基于電流模鎖存器最小功耗2/3分頻器的設計方法。根據以上技術，設計了基于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實現打下鋪墊，進一步實現基于FS的調頻收發(fā)器。此外，提出的新型電路技術可應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用到基于吉爾伯特（Gilbert）的混頻器