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CMOS单片集成的Σ-Δ小数频率合成器设计

杨文荣  
【摘要】: 随着集成电路制造工艺和无线通信技术的迅速发展,实现全集成、多制式、低成本的无线收发器已成必然趋势。频率合成器作为无线收发器中的核心单元电路,是决定收发器性能好坏的关键因素,也是实现全集成无线收发器的主要难点。Σ-Δ小数频率合成器由于很好地解决了环路带宽与信道间距之间的矛盾,具有频率切换速度快、精度高、噪声小等优点,引起了人们越来越多的关注。 本文简要回顾了无线通信系统中的频率合成技术,对高性能Σ-Δ小数频率合成器的设计方法进行了深入的研究。针对传统分频器存在的缺陷,设计实现了一种新型的CMOS高速多模可编程分频器,与传统分频器相比,该分频器具有结构简单、可重用性好等诸多优点。为了解决无源滤波器中电容占用面积太大、难以集成的难题,提出了一种电容倍乘方法,有效减小了电容的面积,实现了三阶无源滤波器的片上集成。本文对不同类型的Σ-Δ调制器的噪声成形效果进行了分析与比较,设计了一种输出为三位的三阶数字Σ-Δ调制器对小数分频比进行调制,改善了频率合成器的带内噪声和杂散性能,获得了比较满意的结果。本文在详细分析压控振荡器的相噪声特性的基础上,总结出集成平面螺旋电感和变容管的制作方法,提出了一些改进措施,改善了它们的Q值,并采用CMOS工艺,实现了一个差分型、低相噪声LC压控振荡器。另外,本文还讨论了频率合成器中其他重要单元电路的设计方法,如电荷泵、相频检测器、锁定检测电路等等。 本文在上述方法的研究基础上,完成了2.4 GHz单片集成的Σ-Δ小数频率合成器的设计,并采用0.25μm CMOS工艺流片验证。测试结果表明,本文设计的频率合成器的技术指标均达到了设计要求,可适用于无绳电话、Home RF、WLAN、蓝牙、Zigbee等多种基于2.4 GHz无线通信标准的无线通信系统。 本文的主要创新点如下:采用CMOS工艺,设计实现了一种新型的高速多模可编程分频器,克服了频率合成器的速度瓶颈;提出了一种电容倍乘方法,解决了无源滤波器中大电容难以集成的问题;针对多模可编程分频器的要求,实现了一个输入为20位、输出为3位的三阶数字Σ-Δ调制器。


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