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基于锁相环结构的900MHz CMOS频率综合器设计

赵晖  
【摘要】:近年来 由于无线通信技术的飞速发展 ,相关领域的集成电路的设计研究也受到越来越多的 关注; 同时由于工艺技术的不断进步, MOS 器件的特征频率(fT)也可以达到几个 GHz 或更高 的水平, 原来在射频、 微波领域占主导地位的三五族化合物半导体工艺如砷化镓(GaAs)及硅 双极型工艺也有逐渐被 CMOS 工艺所取代的趋势。 采用 CMOS 工艺进行射频电路设计的一个诱 人之处是由于基带信号的处理均采用数字方式实现, 而现在绝大多数的数字电路采用 CMOS 工 艺, 因此, 采用 CMOS 工艺进行射频模拟电路设计就有可能将射频部分与基带部分的电路集成 在一起, 这也正符合单片系统集成 SOC 的发展趋势。 频率综合器用于产生本地振荡信号 ,是无线射频收发器前端中最重要的一个模块, 也是设计 难度与复杂度最大的一个。 本文针对 GSM(900MHz)无线通信标准, 设计了基于锁相环结构的 CMOS 分数-N 频率综合器。 论文工作的贡献可以归纳为以下几个方面: 1) 我们对三阶电荷泵锁相环结构的频率综合器进行了系统模型分析, 通过该系统模型, 可 以为电路级设计提供理论指导; 2) 通过对系统中各个模块噪声传输函数的分析, 我们发现压控振荡器的相位噪声对整个系 统的相位噪声的影响是最主要的, 考虑到超深亚微米工艺条件下传统MOS器件模型(比如BISM) 在射频应用中可能存在高阶微分的不连续性, 为了克服这个问题, 我们提出了一种适用于计算机 辅助分析的非线性相位噪声分析模型, 即基于 MOS 器件的表面势模型、 采用常微分方程-偏微 分方程相结合的方法来分析 MOS 电感电容压控振荡器的相位噪声: 3)在电路设计中, 我们提出了一些新颖的或改进的电路结构, 这其中包括 :采用开关电容 实现部分调谐的电感电容压控振荡器, 输出电流可调且不受外部电源电压和温度变化影响的电荷 泵, 高速多模频率除法器以及具有新颖的初始化电路的环路滤波器。 采用开关电容实现部分调谐, 就可以利用一个压控振荡器同时满足发送与接收频段而跳过它们之间的无用频段: 通过可变电流 的电荷泵, 可以根据需要来改变频率综合器系统的性能, 而不受电源电压和温度变化的稳定的电 WP=3 摘 要 荷泵电流有助于改善诸如相位噪声等方面的性能: 使用滤波器初始化电路可以提高系统启动时的 速度, 而多模频率除法器可以扩展频率综合器输出信号频率的覆盖范围。 电路设计采用中芯国际 SMIC 0.18μm 的 CMOS 单层多晶六层金属标准数字逻辑工艺, 并 对两种电感电容压控振荡器进行了流片测试与分析比较, 某些性能指标达到预期效果。


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