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全单片集成的多模CMOS正交频率综合器的研究

衣晓峰  
【摘要】: 无线通信技术的快速发展,给人们的日常生活带来了巨大的便利,并促使更多的无线通信标准被相继发布出来。为了给消费者提供更大的便利,多模无线通信系统的研究与实现成为无线数据通信技术发展中的一个新的亮点。作为多模无线射频发接机中的重要组成部分,频率综合器可以为不同标准的无线发接机提供稳定的、可编程的、低噪声本地振荡信号(LO信号),其性能决定或影响着整个无线收发系统的性能。本文以WCDMA、Bluetooth以及IEEE 802.11a/b/g五种无线通信标准为目标,系统地研究了多模频率综合器的设计与实现。 首先,本文系统研究了频率综合器中的非理想因素对无线通信系统的影响,并通过理论计算得出多模通信系统对频率综合器的指标要求,进而探讨了多模频率综合器的实现方案。 其次,以设计、仿真和测试结果为基础,对频率综合器比较流行的三种体系结构,即半频式频率综合器、等频式频率综合器以及倍频式频率综合器各方面的优缺点进行了讨论和分析,从而确定出一个最合适的体系结构用于高性能、全集成正交输出的频率综合器的实现。 接着,在频率综合器系统级设计方面,介绍了一种常用的基于相位裕度最优化的环路参数设计方法,分析了这种方法存在的不足;提出了一种全新的频率综合器系统级设计方法,并以这种方法为基础分析了环路参数对频率综合器性能的影响,从而总结了环路参数的优化方法。 然后,提出了分析压控振荡器品质因子的简单模型,通过理论分析与计算,得到了限制高频宽带压控振荡器相位噪声性能的主要因素,澄清了以往人们在这一问题上的片面认识。利用计算得到的品质因子计算了影响压控振荡器相位噪声性能的各个噪声源贡献的噪声,作为优化压控振荡器相位噪声性能的基础。以这一理论分析为指导,采用0.18um RFCMOS工艺设计了一个用于IEEE 802.11a/b/g以及Bluetooth的压控振荡器,测试表明在不增大压控振荡器功耗和版图面积的情况下,仅仅通过对电路结构的改进,就使得压控振荡器3MHz频偏处的相位噪声改善了2.5dB,获得了与理论分析相一致的结果。 最后,根据前面所讨论的结果,完成了一种基于0.18um RFCMOS工艺的、用于IEEE 802.11b/g以及Bluetooth的整数N频率综合器的设计、实现与测试。其中重点分析了电荷泵对频率综合器环路性能的影响,以及相位切换型频率分频器的设计细节。之后就频率综合器向IEEE 802.11a协议拓展的能力进行了讨论。接着又介绍了一种基于0.18um RFCMOS工艺的、用于WCDMA的分数N频率综合器的设计与实现。


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