论文部分内容阅读
随着无线通信技术的发展,手持设备需求不断增加,使得无线局域网、蓝牙以及ZigBee等短距离无线标准相继出现和普及,更低功耗和更低成本的芯片作为技术核心,成为产品的关键竞争力。频率合成器为无线射频收发机提供本振信号和频率调制,是决定系统性能的关键电路。高性能的频率合成器主要采用电荷泵锁相环和全数字锁相环实现,本文分别对这两种方式及其关键模块的低功耗、低相位噪声和低成本设计等关键技术进行研究,通过理论分析并测试验证。压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator)是频率合成器的核心,其相位噪声是关键指标。现有技术常牺牲功耗和面积降低相位噪声,本文试图以低功耗实现低相位噪声设计。先进CMOS工艺下,闪烁噪声的影响随器件尺寸减小而突显,已有技术主要降低尾电流或负阻管的闪烁噪声,本文提出一种自开关偏置结构,首次在减小尾电流源闪烁噪声的同时,还抑制了负阻管噪声的变频转化。由于两个最主要来源的闪烁噪声被同时减小,带内相位噪声降低至-77.6dBc/Hz.传统开关偏置技术存在相位噪声和功耗的折衷,且功耗过大,本文的设计消除了二者的限制关系,有效降低功耗。采用0.18μm CMOS工艺实现用于2.4GHzZigbee的压控振荡器,测试结果验证了所提技术对低相位噪声、低功耗的效果。为满足Zigbee发射机的要求,基于电荷泵锁相环设计了低功耗、低复杂度的两点调制器,进行频率调制。两点调制器一般需要校正电路减小增益失配,但会增加设计复杂度和功耗。本文提出一种减小失配的结构,通过减小可变电容失配和提高调制增益线性度实现,相比其他方案,不需要使用校正电路,实现低功耗和低复杂度设计。对调制控制的关键模块Delta-Sigma调制器,考察了不同阶数、实现结构和输入位宽等因素对噪声和杂散性能的影响。采用消除死区的鉴频鉴相器和高线性度的电荷泵降低噪声折叠影响,改善频率合成器的带内相位噪声和杂散性能。完整的两点调制器在0.18μn CMOS工艺实现并测试。CMOS工艺的进步令全数字锁相环体现出低成本、易于片上系统集成等优势,本文研究提供数字时钟的宽带全数字锁相环。已有结构采用Bang-Bang鉴相器,仅能进行整数分频,相位噪声较差且存在稳定性问题。本文首次提出一种分辨率和功耗可调节的时数转换器(Time to Digital Converter),并将其用于实现低功耗宽带全数字锁相环,有效克服已有设计不能实现小数分频的缺陷,改善相位噪声和稳定性。所设计电路在40nm CMOS工艺实现,仿真结果验证了设计思想。