無線通信用頻率合成器的研究與設計.pdf

1、在無線通信系統(tǒng)中，射頻接收機位于整個系統(tǒng)的最前端。鎖相環(huán)型頻率合成器在射頻接收機中提供接收機變頻所需的本振信號，并根據(jù)信道規(guī)劃產(chǎn)生不同頻率的振蕩信號，起著非常重要的作用。無線通信系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展，對鎖相技術要求也越來越高。現(xiàn)在的鎖相環(huán)(PLL)芯片向著頻率高、頻帶寬、集成度大、功耗低、成本低和功能強等方向發(fā)展，而電荷泵型鎖相環(huán)(CPPLL)又以其鎖定相差小和捕獲范圍大等優(yōu)點成為當前鎖相環(huán)電路的主流。本文對鎖相環(huán)型頻率合成器的一些關鍵技術展

2、開全面的討論和研究。
　　 首先對鎖相環(huán)的基本工作原理和結構進行了分析，對無源二階、三階及四階電荷泵鎖相環(huán)電路線性特性進行了研究。其次，分析了鎖相環(huán)的非線性特性，詳細推導了二階電荷泵鎖相環(huán)的捕捉帶、拉出范圍及鎖定時間等關鍵參數(shù)；采用Matlab加Simulink的方法對鎖相環(huán)的動態(tài)模型進行了分析和仿真，對CPPLL中的主要環(huán)路參數(shù)的變化與環(huán)路穩(wěn)定性之間的關系進行了直觀的分析。
　　 本文對鎖相環(huán)頻率合成器中的噪聲模型進行

3、了研究，對鎖相環(huán)頻率合成器芯片中不同的噪聲源對系統(tǒng)性能的影響進行了分析，特別是對電壓控制振蕩器的相位噪聲的產(chǎn)生機理以及它在通信系統(tǒng)中的影響進行了討論，介紹和比較了Leeson模型和Hajimiri提出的線性時變模型。
　　 本文對應用于2.4GHz低功耗鎖相環(huán)電路進行了研究與設計。在傳統(tǒng)邊沿觸發(fā)PFD結構的基礎上，給出了一種基于TSPC(true single phase clocking)動態(tài)結構D觸發(fā)器式高精度PFD的設計。

4、該電路具有功耗低、速度快、結構簡單等優(yōu)點。同時，優(yōu)化PFD復位延時電路，克服了PFD和CP的死區(qū)。另外，采用與電源無關的基準電流源電路，運用運算放大器和自偏置高擺幅共源共柵電流鏡電路實現(xiàn)了電荷泵充放電電流的高度匹配。該電荷泵具有靜態(tài)功耗低、速度快、線性度高、電流匹配性能好等特點。設計了一種全集成交叉耦合變壓器反饋的LC壓控振蕩器(LC-VCO)。該VCO即使在電源電壓低于閾值電壓的情況下實現(xiàn)了低功耗和低相位噪聲。該低功耗的VCO采用SM

5、IC0.18μm數(shù)?；旌吓cRF1P6M CMOS工藝進行了流片驗證。測試結果表明：電路在0.4V電源供電和工作頻率為2.433GHz時，相位噪聲為-125.3dBc/Hz@1MHz，核心直流功耗僅為640μW。芯片的工作頻率范圍為2.28～2.48GHz，即調(diào)諧范圍為200MHz(8.7％)，電路優(yōu)值為-193.7dB，信號的輸出功率約為1dBm。
　　 本文對頻率合成器中下分頻模塊的設計進行了研究，提出了一種具有改進結構的D觸

6、發(fā)器。以這種D觸發(fā)器為基礎分別實現(xiàn)了用于WLAN接收機中的頻率綜合器下分頻模塊的雙模分頻器。采用相同的工藝實現(xiàn)了用于無線局域網(wǎng)802.11a射頻接收機的、工作在4GHz頻段的鎖相環(huán)頻率合成器。測試結果表明：該頻率合成器的鎖定范圍為4096～4288MHz。在振蕩頻率為4.154GHz時，偏離中心頻率1MHz處的相位噪聲可以達到-117dBc/Hz。芯片面積為0.675mm×0.700mm。采用1.8V的電源供電，核心部分的功耗約為24m

7、W，輸出的功率約為-2dBm。
　　 本文還采用相同工藝設計了平面螺旋變壓器作為耦合終端的CMOS電感電容正交壓控振蕩器。測試結果表明：電路在1.8V電源供電和工作頻率為4.6GHz時，相位噪聲為-125.7dBc/Hz@1MHz，核心部分直流功耗僅為10mW。根據(jù)時域的輸出波形，測量的相位誤差大約為1.5°，輸出功率約為-2dBm。芯片的工作頻率為4.36～4.48GHz，調(diào)諧范圍為320MHz(7.0％)，電路優(yōu)值為-189