收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

极低电压应用的低功耗低相噪压控振荡器的研究与实现

周海峰  
【摘要】: 随着近几年无线通讯系统的蓬勃发展,推动了低成本、低功耗CMOS无线收发机的研究与开发,而压控振荡器(VCO,Voltage Controlled Oscillator)是无线收发机的关键模块。作为收发机中的本地振荡源进行频率转换和信道选择,需要压控振荡器具有低功耗和低相位噪声的特点。 CMOS工艺尺寸的进一步缩小,增加了芯片的功能模块密度、器件的速度以及电路处理信号的能力。然而,为了满足可靠性,避免器件栅氧化层击穿、热载流子效应以及功耗密度过大等问题,其电源电压也在等比例地缩小。另一方面,虽然电源电压减小了,但器件的阈值电压却没有相应减小,这导致了可获得的电压摆幅变小。传统的模拟电路结构在电源电压降低到1V以下时由于没有足够的电压净空间,使得模拟电路的设计遇到了挑战。 本论文的目的是设计一个工作在极低电压(0.5V)环境下的低功耗和低相位噪声射频压控振荡器集成电路芯片。目前国际上对于极低电压环境下的VCO也只处于研究阶段,相应的产品问世尚需要一定的时间。国内对VCO的研究近几年也呈现繁荣之势,但关注的往往是正常电源电压环境下的研究,只是在追随国外已有产品的脚步前进。在国内CMOS工艺技术已经可以接近国际先进水平的情况下,有必要进行跨越式发展,研究国际上的前沿课题。这样,对快速提高我国集成电路产业的整体竞争力具有重要的意义。 本文主要工作和创新点包括: 1.探讨了片上电感的物理结构及电学模型的物理意义,研究了电感的几何尺寸参数对片上电感性能的影响,总结得到了优化电感的一系列指导原则,并根据CMOS工艺的发展,改进了文献中有关电感设计的经验报导。 2.探讨了变容管的物理结构及电学模型的物理意义,分析了不同结构变容管的优缺点及相应的应用领域,研究了偏置电压、变容管几何尺寸参数以及工作频率等对变容管性能的影响,得到了优化设计变容管的一系列指导原则。 3.深入分析总结了四种电感电容式压控振荡器的相位噪声模型:线性时不变(Lesson's)模型,线性时变(Hajimiri's)模型,非线性扰动(Demir's)模型以及类谐波平衡分析(Rael's)模型。详细分析了振荡器的内在振荡机制,总结了振荡器设计和优化的一般步骤,提出了振荡器设计中针对低相位噪声和低功耗设计的设计原则,归纳了几种相位噪声降低技术。综合应用多种技术,实现了低至0.5 V电源电压下的低功耗、低相位噪声的LC VCO的设计。 4.研究了极低电压应用的射频锁相环(PLL,Phase-Locked Loop)的设计,分别构建了鉴频鉴相器(PFD,Phase-Frequency Detector)、电荷泵(CP,Charge-Pump)以及分频器。其中鉴频鉴相器采用改进型预充电鉴频鉴相器结构,其特点是工作频率范围大,功耗低,且死区极小;电荷泵模块采用负反馈电路结构,在极低电压下能够提高充放电电流匹配度;分频器采用扩展的单相时钟动态逻辑结构,在极低电压下能够工作在3 GHz以上,且功耗很小,同时考虑了动态逻辑中动态结点漏电流的影响,给出了相应的辅助电路,弥补了这个缺点。 5.采用中芯国际0.13μm 1P8M CMOS工艺实现了工作于0.5 V电源电压下的低功耗、低相位噪声的LC VCO芯片,测试得到LC VCO能正常工作在0.5 V电压下,输出频率范围为2.1~2.3 GHz,输出相位噪声在-119.8~-121.5 dBc/Hz@1 MHz,功耗仅为685μW,计算得到综合性能指标FOM为-188.7~-190.3 dB,达到国内领先水平。以此VCO为核心,完成了相应的极低电压下低功耗、低相位噪声的PLL芯片设计,目前正在流片中。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 关则新;;调频解调用全数字锁相环[J];电讯技术;1976年01期
2 ;零部件[J];电子设计技术;1996年03期
3 夏定元;UHF频段微带VCO性能参数的改进[J];仪器仪表学报;2002年S1期
4 刘光涛;;基于CPLD的理想锁相环路辅助捕获电路[J];湖北成人教育学院学报;2009年03期
5 吴玉强;;低抖动的480 MHz CMOS电荷泵式锁相环[J];中国集成电路;2010年11期
6 王瑞元;徐礼珍;;MOS型场效应管推挽压控振荡器的设计[J];移动通信;1980年02期
7 王富元;;用模拟函数变换器对压控振荡器的u—f曲线进行线性校正[J];光电工程;1985年02期
8 刘国荣;孙雪燕;;5GVFC32压控振荡器的应用[J];电子技术应用;1988年06期
9 张海明;;最新微波锁相环集成电路[J];无线电工程;1993年05期
10 李桂华,孙仲林,吉利久;CMOS锁相环PLL的设计研究[J];半导体杂志;2000年03期
11 李永峰,张建辉;一种改进的CMOS差分LC压控振荡器[J];半导体学报;2005年10期
12 李永峰;张建辉;;一种改进的CMOS差分LC压控振荡器[J];半导体行业;2005年04期
13 黄水龙;王志华;;一种新的锁相环自调谐方案[J];微电子学;2006年04期
14 李仲秋;王文杰;谢志明;;电荷泵锁相环中压控振荡器的噪声设计[J];电子工程师;2007年10期
15 曹敏华;李拂晓;林金庭;;振荡型有源集成天线[J];固体电子学研究与进展;2008年03期
16 邵金柱;戴庆元;李东超;;一种低功耗交叉耦合环形振荡器[J];微处理机;2009年06期
17 胡锦;刘清波;刘观承;黑花阁;;一种低压低功耗的环形压控振荡器设计[J];宇航计测技术;2010年03期
18 邵春清;王斌;邵喜德;;正弦波锁相环频率合成电路[J];电站设备自动化;2002年03期
19 麦穗华;;压控振荡器/混频器[J];移动通信;1978年01期
20 王德凡;;频率与相位比较器[J];移动通信;1978年02期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 田正容;费元春;张克强;;Ku波段HBT压控振荡器[A];1993年全国微波会议论文集(下册)[C];1993年
2 方芳;王志功;刘军;谢婷婷;童海涛;;35GHz HEMT压控振荡器[A];1999年全国微波毫米波会议论文集(上册)[C];1999年
3 徐军;薛良金;;毫米波鳍线压控振荡器[A];1993年全国微波会议论文集(下册)[C];1993年
4 赵岩;;微带压控振荡器的一种新的设计方法[A];1995年全国微波会议论文集(下册)[C];1995年
5 孙燕玲;费元春;杨仕明;;L波段低相位噪声压控振荡器[A];1991年全国微波会议论文集(卷Ⅱ)[C];1991年
6 孙燕玲;费元春;;计算机辅助设计X波段GaAs FET压控振荡器[A];1987年全国微波会议论文集(中)[C];1987年
7 李长生;王文骐;詹福春;;射频应用的压控振荡器相位噪声的研究[A];2003'全国微波毫米波会议论文集[C];2003年
8 朱鲜芙;;1.5GHz频段综合器的研制[A];1997年全国微波会议论文集(上册)[C];1997年
9 乔立岩;张毅刚;杨斌;;某探测雷达测试系统信号模拟器的研制[A];2004全国测控、计量与仪器仪表学术年会论文集(上册)[C];2004年
10 冯双平;高树廷;;10cm波段低相噪介质谐振器压控振荡器研究[A];1991年全国微波会议论文集(卷Ⅱ)[C];1991年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 周海峰;极低电压应用的低功耗低相噪压控振荡器的研究与实现[D];浙江大学;2009年
2 刘林涛;无源器件和电感电容振荡器优化设计研究[D];哈尔滨工业大学;2009年
3 李丽;RF MEMS可变电容及压控振荡器的研究[D];河北工业大学;2006年
4 石春琦;超高频RFID阅读器中△∑小数分频频率综合器的优化设计[D];华东师范大学;2010年
5 王立发;基于LTCC技术微波收发组件关键技术的研究[D];河北工业大学;2011年
6 仇应华;光纤传输系统用超高速时钟恢复集成电路研究[D];东南大学;2006年
7 黄颋;超高速、射频与微波单片集成电路设计关键技术研究[D];东南大学;2005年
8 杨丰林;UHF RFID阅读器中Delta-Sigma Fractional-N频率合成器的研究[D];复旦大学;2006年
9 衣晓峰;全单片集成的多模CMOS正交频率综合器的研究[D];复旦大学;2006年
10 陆平;应用于宽带数据通信的CMOS环振型频率综合器研究[D];复旦大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 金长林;Ka频段三端器件压控振荡器的研究[D];电子科技大学;2002年
2 杨盛光;片上真随机数发生器的研究[D];合肥工业大学;2004年
3 张小川;K波段锁相源的研制[D];电子科技大学;2005年
4 康英;射频CMOS集成电路中可变电容的研究与应用[D];西安电子科技大学;2007年
5 罗芳杰;电荷泵锁相环的压控振荡器设计[D];合肥工业大学;2009年
6 王文兵;高性能CMOS压控振荡器的设计[D];安徽大学;2005年
7 李晓庆;UHF锁相频率合成器设计及实现[D];大连海事大学;2006年
8 陈常勇;用于GPS接收机的全集成锁相环设计[D];北京交通大学;2008年
9 王振兴;应用于无线局域网的低压低功耗2.4GHz VCO设计[D];安徽大学;2010年
10 宋开军;Ku波段频综源研究[D];电子科技大学;2005年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 重庆 尹申燕;简易数字式压控振荡器[N];电子报;2002年
2 ;手机基带、射频芯片新技术争锋[N];中国电子报;2004年
3 辽宁 杨成伟;再谈AFT和AFC不容混淆[N];电子报;2000年
4 广西 黄献忠;实验锁相环FM立体声发射机[N];电子报;2004年
5 广西 潘云忠 潘宜漾;可实现4W的PLL锁相环调频立体声发射机制作[N];电子报;2010年
6 上海 王坦;常用手机英语缩略语构成特点及解释[N];电子报;2003年
7 ;ADI:ADF4350[N];通信产业报;2008年
8 山西 齐耿业;调频广播节目传送技术的讨论[N];电子报;2009年
9 ;调频收音机设计方案[N];电子报;2003年
10 曙光;电子第13所经济收入超两亿[N];中国电子报;2002年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978