（微电子学与固体电子学专业论文）cmos单片收发机多模小数频率综合器的设计.pdf

_ ； # ， ；f _ t j、k， ，)一_：土 ，jm sn e s i s 。f2 0 11 - j 一 冬 ，l i 穗 r e g i s t e rn u m b e r ：5 10 812 0 2 0 2 3 e a s tc h i n an o m a lu n i v e r s i t y d e s i g no fm u l t i m o d ef r a c t i o n a l n s y n t h e s i z e rf o rs i n g l e c h i pc m o s r ” lr a n s c e l v e r d e p a r t m e n t ：旦曼p ：q 星! 曼殳! 壁垒n i 曼墨曼i 曼坠堡曼量至金鱼h 坠q ! q g y m a j o r ：m i c r o e l e c t r o n i c s & s o l i d s t a t ee l e c 协o n i c s n 锄ex us h u a i 2 0 1 1 5 溯 张 够毋吆ledoc y nsrevrnu 0，4、j - i 、 ， ， j 一 ， 一 j _ ， i n 华东师范大学学位论文原创性声明 郑重声明：本人呈交的学位论文洲够朔憾蝴：0 巷之场率缔岛番删， 是在华东师范大学攻读碌芷博士( 请勾选) 学位期间，在导师的指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或 撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说 明并表示谢意。 作者签名： 日期：二护j ，年多月z 多日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 c i 蝉局煳勿梗0 苏渤寺：缚呜器唰系本人在华东师范大学攻读 学位期间在导师指导下完成的硕硅博士( 请勾选) 学位论文，本论文的研究成果归华东 师范大学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论文，并向主管 部门和相关机构如国家图书馆、中信所和“知网”送交学位论文的印刷版和电子版；允 许学位论文进入华东师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅；同意学校将学位论文加入 全国博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版， 采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) ( ) 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部”或“涉密”学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( ) 2 不保密，适用上述授权。 导师签名 本人签名近丛霉 本人签名丝世 加f ，年月z 日 “涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定过的学位 论文( 需附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方为有效) ，未经上 述部门审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开学位论文，均适用 上述授权) 哆 0 ) r 卜 、，1 迕烛硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 韧平绑l翻影汲 箱十阳煳韵息 主席 雪i 弛姐孑互聋玉垒 苏缮敖我 筇百i l f 7 定犬霉链愿 ：参j 磕) 暇缓毛吞 而习靓诌灰我 巧寸师烫仄孑碜忽 簪若l 哺毕铂乏篇? ：i；一 一 弋 j 一 卜 、， 2 0 l l 届华东师范大学硕士学位论文 摘要 随着无线通讯技术的不断发展以及多种无线通讯协议的推出，可满足多种通 讯协议的单芯片全集成无线收发器芯片成为集成电路设计者研究的热点之一。这 就要求无线收发机中的关键模块频率综合器提供高度稳定的、复用性强的、低相 位噪声的本振信号以满足多种通讯协议需要。为此，半导体通信芯片厂商和研究 所、高校等科研单位研发出了各种多模多频的频率综合器芯片或口核。本论文就 同时支持i j l r f i d 、w c d m a 、t d w c d m a 、匝e e8 0 2 1 1 删g 协议的单芯片 宽带多模多频小数分频频率综合器展开了研究，取得了以下的成果： l 、首先回顾了锁相环频率综合器的结构，阐述了d e l 协s i g m a 调制器技术实 现小数分频频率综合器的基本原理，以及整个环路参数和相位噪声的建模。 2 、对目前几种常见的宽带频率综合器实现方案进行了分析比较，提出了一种 新型的宽带频率综合器的系统方案。在该方案中，仅采用一个3 4 g h z 低噪声l c v c o 和一个5 6 g h z 低功耗l cv c o 实现了频率范围从o 8 g h z 5 5 5 g h z 的宽 带频率输出信号。 3 、对于系统中的关键模块压控振荡器，采用对称l c 滤波网络、高q 值的差 分电感以及套筒式误差反馈放大器组成的片上l d o 设计方法，对尾管噪声、l c 谐振器噪声、电源噪声分别抑制来提高v c o 相位噪声性能。 4 、针对小数频率综合器中的d e l t a s i g m a 调制器，提出了一种三阶四比特误 差反馈型增量总和调制器，其电路结构复杂度低，易于实现。该调制器已应用到 了设计中，实现了较小的频率分辨率和较好的带外杂散性能。 5 、采用o 1 3 岬l p 8 mr fc m o s 工艺实现了一款频率范围为o 7 g h z 5 5 5 g h 【z 的小数分频频率综合器。芯片总面积为2 2 m m 2 2 m m 。测试结果表明： 功耗为2 5 0 m w 时，最低输出频率7 0 0 m h z ，1 m h z 频偏处相位噪声为1 2 8 d b c h z ； 最大输出频率5 5 5 g h z 时，3 m h z 频偏处的相位噪声为1 2 4 d b c h z ，可以同时满 足u h fi 强i d 、w c d m a 、t d s c d m a 、m e e8 0 2 1 l 删g 协议的频率转换要求。 本论文受国家科技重大专项嵌入式多模、多频收发器关键口硬核设计资 助，项目编号：2 0 0 9 z x 0 1 0 3 4 0 0 2 0 0 2 一o o l 一0 2 。 关键字：小数分频频率综合器，增量总和调制器，相位噪声，压控振荡器，多模 多频 、。， ， 、 毋 n 、 摘要 a b s t r a c t w i t h 协ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c l l i l o l o g ya n dt h e m 仃o d u c t i o no fav 撕e t ) ，o fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l s ，血l l yi n t e g r a t e d s i n g l e c h i pw i r e l e s st 啪s c e i v e rb e c o m et h em o s tp 叩u l a rr e s e a r c hf o c u s t h i sr e q u i r e s f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r ( t h ek e ym o d u l et ot 1 1 ew i r e l e s s 饥m s c e i v e r ) t op r o v i d eh i 曲l y s t a b l e ，h i 曲r e u s a b i l i 吼l o wp h a s en o i s el o c a lo s c i l l a t o rs i g n a lt om e e tt 1 1 en e e d so fa v a r i e t ) ro fc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s s o ，c o m m u n i c a t i o n si cm a n u f a c t u r e r s 锄di c d e s i g n e r si n u n i v e r s i t i e sa n do t h e rr e s e a r c hi n s t i t u t e sh a v ed e v e l o p e da1 0 to f m u l t i - m o d em u l t i - b a n d f r e q u e n c ys y n t h e s 泣e rc h i p s o ri pc o r e s a毹q u e n c y s y n t h e s i z e ri sp r 叩o s e df o rt h e 切耶r f i d 、w c d m a 、t d - s c d m a 、i e e e8 0 2 1 l a b 儋i n t h i s t h e s i s f i r s t ，s t r u c t u r e so fp h a s el o c k e dl o o pa r er e v i e w e d t h eb a s i cp r i n c i p l e s ，l o o p p a r 锄e t e ra n dp h a s en o i s eo fd e l t a - s i g m af r a c t i o n a l n 行e q u e n c ys y n t h e s i z e ra r e a n a l y z e d t h e n ，s e v e r a lb r o a d b a n df k q u e n c ys y n t h e s i z e ri m p l e m e n t a t i o nm e t h o d sa r c c o m p a r e d an e wf k q u e n c ys y n t h e s i z c rs 讯j c t u r ei sp r o p o s e d a3 4 g h zl o wp h a s e n o i s el cv c o 锄da5 6 g h zl o wp o w e rl cv c oc o m b i n e dw i t h 觚oc m l p r e s c a l e r sm a k et h e 行e q u e n c ys y n t h e s i z e rc o n v e ro u t p u t 行e q u e n c yr a n g ef r o mo 8 g h z t o6 g h z 。 f o ri o wp h a s en o i s ev c o d e s i g n ，t h r e em e t h o d sa i ea d o p t e d o n - c h i pl d oi s u t i l i z e dt os u p p r e s sn o i s ef - r o mp o w e rs u p p i y s y m m e t r i c a in o i s e 仃l t e r i n gt e c h n i q u ei s u s e dt 0s u p p r e s st h e m l a ln o i s ef r o m t a i lc u r r e n ta n dp a r a s i t i c 陀s i s t o r so fb o n d i n g w i r e s h i g hq u a l i 哆f a c t o ri n d u c t o ru pt ol6c 锄l o w e rt h ep h a s en o i s eo b v i o u s l y at h i r do r d e rf o u rb i t so u t p u td e l t a s i g m am o d u l a t o ri s i l t l p l e n t e dw i t l ls e r v e r a l a c c 啪u l a t o ra n dd n i p f l o p s a 舶q u e n c yt u n i n gr a n g ef r o mo 7 g h zt o5 5 5 g h zd e l t a - s i 舯af r a c t i o n a i n s y n t h e s i z e r i s i m p l e m e n t e d w i t h o 1 3 m l p 8 mr f c m o s t h ed i es i z ei s 2 2 m m 2 2 m m 。m e 嬲u r e m e n tr e s u l t si n d i c a t e ：t o t a lp o w e ri s2 5 0 m w ；t h em i n i m u m 6 e q u e n c yi s7 0 0 m i z ，w i t hp h a s en o i s e l2 8 d b c ，h z lm h z ；t h em a x i u mf r e q u e n c yi s i ， 一 - ， 一 2 0 ll 届华东师范大学硕士学位论文 5 5 5 g h zw i t l lp h a s en o i s e - 1 2 4 d b c | i z 3 m h z ；p h 嬲en o i s em e r i t sc 锄m e e tu h f r f i d 、w c d m a 、t d - s c d m a 、正e e8 0 2 1 1a b 儋c o m m u n i c a i t o ns p e c i f i c a t i o n s 。 t h i st h e s i s sw o r ki ss u p p o r t e db yp r 巧e c t “k e yi pc o r c sd e s i g nf o rt h ee m b e d d e d m u l t i m o d em u l t i - b a n d 仃a n s c e i v e r u n d e rt h es t a t ek e yi t e mo f “c o r ce l e c n d n i c d e v i c e s ， h i g h - e n dg e n e m lc h i p s a n db a s i cs o f t w a r e p r o d u c t ，( p r o j e c t n u m b e r ： 2 0 0 9 z x 0l0 3 4 0 0 2 0 0 2 - 0 01 - 0 2 ) k e yw o r d ：触c t i o n a l - ns ”t h e s i z e r ，d e l t a s i g m am o d u l a t o r ，p h 邪en o i s e ，v c o ，u h f r f i d ，w c d m a ，i e e e8 0 2 1 la b 儋 i 卜 、 j ， 一 一 目录 目录 摘要i a j e i s t r a c t 第一章前言1 1 1 论文研究背景j 1 1 2 研究现状分析3 1 3 论文主要贡献4 1 4 论文组织架构5 第二章小数频率综合器的系统建模与设计指标分析6 2 1 频率综合器的实现方法7 2 2 小数锁相环频率综合器结构分析与选取9 2 3 小数锁相环频率综合器行为仿真l1 2 4 频率综合器相位噪声和杂散分析1 3 2 5 频率综合器系统设计指标确定。1 9 第三章l c 压控振荡器的设计与优化2 2 3 1l c 压控振荡器结构的选取2 2 3 2l c 压控振荡器噪声和功耗的优化2 3 3 2 1 相位噪声理论。2 3 3 2 2 低相位噪声优化。2 6 3 2 3 低功耗优化2 9 3 33 4 g 低噪声l cv c o 的设计3 0 3 3 1l c 谐振网络的设计3 1 3 3 2 片上l d o 的设计3 2 3 3 3 二次谐波滤波网络的设计。3 3 3 45 “g 低功耗l cv c o 的设计3 5 第四章高速二分频电路的设计与优化3 7 4 1c m l 高速二分频电路工作原理3 7 4 2 高速二分频电路速度优化3 8 第五章d e l t a s i g m a 调制器的设计4 2 5 1d e l t a s i g m a 调制器的工作原理o 4 2 ，i i 2 01 1 届华东师范大学硕士学位论文 5 1 1 量化器的过采样特性4 2 5 1 2 噪声整形特性4 3 5 2d e l t a s i g m a 调制器结构比较4 4 5 3 三阶四比特误差反馈型d e l t a s i g m a 调制器的设计4 9 第六章频率综合器中其它电路模块的设计5 0 6 1 鉴频鉴相器电路的设计5 0 6 2 电荷泵电路的设计5 l 6 3 环路滤波器的设计5 3 6 4 脉冲吞咽技术器的设计5 6 6 5 带隙基准电路的设计5 6 第七章全芯片版图设计及测试验证5 8 7 1 全芯片布局布线5 8 7 2 芯片测试及测试结果分析5 9 第八章总结与展望。7 0 8 1 论文总结7 0 8 2 工作展望一7 l 参教献7 2 作者在攻读硕士学位期间发表的论文、专利等情况7 7 v 一 卜 、 ， ， ， 0 4 2 0 l l 届华东师范大学硕士学位论文 1 1 论文研究背景 第一章前言 近年来，无线通信技术的快速发展，极大的改变了人们的生活。种类繁多、 功能强大的无线通讯设备( 如手机、i p a d 等) 使人们的生活变得丰富多彩。面对 多种无线通讯协议并存的局面，消费者期待随时随地用单一终端接入各种无线网 络。下面将对u h fr f i d ，w c d m a ，t d s c d m a ，w l a na b 儋无线通信协议进行介 绍。 无线射频识别技术限a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) 是一种非接触的自 动识别技术，其基本工作原理是利用射频信号和空间耦合( 电感或电磁耦合) 的 传输特性，实现对被识别物体的自动识别。r f i d 系统按照使用频段可分为低 频、高频和超高频，其中低频段的工作频率为1 2 5k h z ，采用电感耦合方式工作， 工作距离在1 0 c m 之内；高频段的工作频率为1 3 5 6m h z ，采用电感耦合方式工 作，工作距离在几厘米到l 米之间；超高频( u h f ) 的工作频率在8 6 0 9 6 0m h z ， 采用电磁场耦合方式工作，工作距离在几米范围。低频和高频的射频识别系统由 于其数据传输速率较低而且通讯距离较短，在应用上受到一定的限制。超高频射 频识别系统具有传输数据率高、天线尺寸小、传输距离较远的优势，成为国内外 高校、研究所以及工业界关注的热点。 近年来随着国家在物联网领域的重大突破，u l fr f i d 【1 】【2 】【3 】【4 】系统在物流领 域中以其高的传输速率，较远的传输距离以及能够克服恶劣环境等优秀品质备受 关注，大有替代现有条形码的趋势。 同样第一代移动通信系统采用频分多址( f d m a ) 的模拟调制方式，这种系统 的主要缺点是频谱利用率低，信令干扰话音业务。第二代移动通信系统主要采用 时分多址( t d m a ) 的数字调制方式，提高了系统容量，并采用独立信道传送信令， 使系统性能大为改善，但t d m a 的系统容量仍然有限，越区切换性能仍不完善。 国际电信联盟( i t u ) 在2 0 0 0 年5 月确定w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a 以及w i m a x 四大主流无线接口标准，写入3 g 技术指导性文2 0 0 0 年国际移动 通讯计划 ( 简称i m t - _ 2 0 0 0 ) 。c d m a 是c o d e d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ( 码分多 址) 的缩写，是第三代移动通信系统的技术基础。c d m a 系统以其频率规划简单、 2 0 1 1 届华东师范大学硕士学位论文 系统容量大、频率复用系数高、抗多径能力强、通信质量好、软容量、软切换等 特点显示出巨大的发展潜力。 w c d m a ，全称为w i d e b a n d c d m a ，也称为c d m a d i r e c t s p r e a d ，意为宽频 分码多重存取，这是基于g s m 网发展出来的3 g 技术规范，是欧洲提出的宽带 c d m a 技术，它与日本提出的宽带c d m a 技术基本相同，目前正在进一步融合。 其支持者主要是以g s m 系统为主的欧洲厂商，日本公司也或多或少参与其中， 包括欧美的爱立信、阿尔卡特、诺基亚、朗讯、北电，以及日本的n t t 、富士通、 夏普等厂商。这套系统能够架设在现有的g s m 网络上，对于系统提供商而言可 以较轻易地过渡，而g s m 系统相当普及的亚洲对这套新技术的接受度预料会相 当高。因此w c d m a 具有先天的市场优势。 t d - s c d m a 全称为t i m e d i v i s i o n s ”c h r o n o u s c d m a ( 时分同步c d m a ) ，该 标准是由中国大陆独自制定的3 g 标准，1 9 9 9 年6 月2 9 日，中国原邮电部电信科 学技术研究院( 大唐电信) 向u 提出。该标准将智能无线、同步c d m a 和软 件无线电等当今国际领先技术融于其中，在频谱利用率、对业务支持具有灵活性、 频率灵活性及成本等方面的独特优势。另外，由于中国内的庞大的市场，该标准 受到各大主要电信设备厂商的重视，全球一半以上的设备厂商都宣布可以支持 t d s c d m - a 标准。 无线局域网( w l a n ，w i r e l e s sl o c a la r e an e 俩o r k ) 以其接入方式简单灵活， 数据传输速率快，成为无线通讯中的研究热点，但其工作频率较高，故通常应用 于较短距离的高速数据传输。其中i e e e8 0 2 1 l 作为全球应用最广泛的无线局域 网传输标准之一，近年来为了满足市场需求，首先于1 9 9 9 年颁布了正e e8 0 2 1 1 b 【5 】 标准，工作于2 4 g h z ，支持最快1 1 m b p s 的数据传输速率；但i e e e8 0 2 1 1b 协 议本身工作于i s m 频段的特性，其受到干扰较大( 如：无绳电话等) ，而且随着 用户对传输速率的进一步要求，同年i e e e8 0 2 1 1a 协议【6 】提出，其工作频段避开 了i s m 频段，工作于5 g h z ，而且其数据传输速率高达5 4 m b p s ，能够满足多用户 的同时接入实现多媒体资源的实时传输。但是较高的工作频率，也导致其空间损 耗较大。为了克服这种不足，i e e e 组织于2 0 0 3 年提出了i e e e8 0 2 1 1g 【7 】标准， 工作于2 4 g h z ，其利用了i s m 频段本身空间损耗较小的特点，以及正交频分复 用( o f d m ， o n h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u i t i p l e x i n g ) 技术，使其传输速率 同样达到了5 4 m b p s 。 2 、 ， i - 0 d 2 0 1 l 届华东师范大学硕士学位论文 1 2 研究现状分析 近年来国外已有多篇支持不同模式工作的小数分频频率综合器的报道。 文献【8 】采用o 1 8 响c m o s 工艺设计了一款单片双模式应用于w l a n 玑儋标 准的收发机，其中本振系统采用基于d e l 协s i g m a 调制器( d s m ) 的小数分频频 率综合器，d s m 调制器为三阶m a s h 结构，分别在2 5 g i z 频段测试得到本振 系统在l o k h p l o m h z 范围内的积分相位噪声分别为o 5 4 0 1 1 0 。 文献【9 】采用o 5 u mb i c m o s g e s i 工艺实现了一款支持第二代移动通讯和第 三代移动通信系统的小数分频频率综合器，其中d s m 调制器为4 阶3 位输出形 式，环路带宽2 5 k h z ，带内噪声为8 0 d b c 】h z ，相位噪声1 2 9 d b c h z 4 0 0 l ( 】和 - 1 3 9 d b c 门 3 m h z 。 文献【l o 】首次出现针对多模无线收发射频前端电路设计需求的分类讨论，讨论 的工作模式包括g s m ，b l u e t o o t h ，以及i e e e8 0 2 1 l 删g 和h i p e r l a n 2 协议， 文献主要针对直接变频结构c m o s 射频前端电路在系统理论上展开讨论，文章虽 然提出了一个系统设计中各个模块电路的设计指标，但是并未就各个模块电路的 实现给出具体实现方法，尤其是如此宽范围的本振系统的实现方法。 文献【l l j 展示了一款应用于i e e e8 0 2 11 加g 标准的s o c 电路，设计采用l p 6 m 的0 1 3 u mc m o s 工艺，其中本振系统为基于三阶m a s h 结构的d s m 调制器的 小数分频频率综合器，为了得到较小的参考杂散信号，环路滤波器采用了5 阶有 源滤波器，带宽为2 0 0 i ( h z 。测得相位噪声在2 4 g h z 工作时为1 2 0 d b c h z 1 m h z ； 而在5 g h z 工作时，相位噪声为1 1 5 d b c h z 1 m h z 。 文献【1 2 】提出了利用压控振荡器结合混频器分频器来实现多模多频的结构。芯 片采用的是o 2 5 u mb i c m o s s i g e 工艺，频率最高可达5 8 g h z 。测得v c o 相位 噪声为1 1 8 d b c h z 4 0 0 l ( h z 和1 2 5 d b c h z l m h z ，而对于g s m 应用中，相位噪 声为1 2 4 d b c l z 4 0 0 i ( 】和1 3 0 d b c h z 1 m h z 。 美国的a d i 公司2 0 0 8 推出一款宽带频率合成器a d f 4 3 5 0 【1 3 】满足无线基础设 施( w c d m a 、t d s c d m a 、w i m a x 、g s m 、p c s 、d c s 、d e c t ) 的应用。 a d f 4 3 5 0 采用b i c m o s 工艺，结合外部环路滤波器和外部基准频率使用时，可实 现小数n 分频或整数n 分频锁相环频率合成器。该芯片具有一个集成电压控制振 荡器( v c o ) ，其基波输出频率范围为2 2 0 0 m h z 至4 4 0 0m h z 。此外，利用l 2 4 8 1 6 3 2 0 1 1 届华东师范大学硕士学位论文 分频电路，用户可以产生低至1 3 7 5 m h z 4 4 g h z 的输出信号，在3 3 v 电压时， 电流为1 3 6 m a 。 2 0 0 9 年9 月富士通首次公布了一款支持2 gg s m g p s e d g e 和3 g u m t s h s p a 协议的m b 8 6 l 0 l ai 疆收发芯片，该芯片不仅要提供众多的模式和 频率组合，还解决了越来越小的外形尺寸( 7 1 m m 5 9 舢) 要求。 美国s i l i c o nc r e a t i o n si c 设计公司于2 0 0 9 推出一款频率范围在1 2 m h z 到 2 o g h z 之间的频率综合器i p 硬核，采用的是t s m c l 3 0 衄c m o s 工艺。 国内芯片设计公司，如展讯公司，推出的q s 3 0 0 02 g 3 g 单芯片c m o s 双模 射频收发器，有高集成度的单芯片h e d g e ( 3 gh s p a 和g s m e d g e ) r f 方案， 采用了标准的c m o s 工艺，具有低功耗的特点。q s 3 0 0 0 不仅支持四个频段的 e d g e ，还支持三个频段的w c d m a 。 国内高校则以复旦大学为主在多模多频射频芯片方面有进行了很多研究， 2 0 1 0 年有5 篇硕士论文【1 4 】【1 5 】【1 6 】f 1 7 】踟和2 篇博士论文【1 9 1 是对宽带频率综合器的研 究。 到目前为止，综合物流网领域u h f 盯i d 、无线通讯系统w c d m a 、 t d s c d m a 以及高速无线局域网i e e e8 0 2 1 1 挑儋各个协议标准对本振系统设计 展开的研究未见报道。本文主要针对多模工作模式( u h fi u i d 、w c d m a 、 t d s c d m a 、i e e e8 0 2 1l a b 儋) 对高性能小数分频频率综合器的设计展开讨论。 1 3 论文主要贡献 本论文根据无线通信中u i r f m 、w c d m a 、t d s c d m a 以及i e e e8 0 2 1 l 删g 协议标准，给出了小数分频频率综合器的设计规范。电路实现采用0 1 3 岬 c m o s8 s f 工艺设计了一款d e l 协s i g m a 小数分频频率综合器。 本论文的主要贡献： 1 采用v e r i l o g a 和v e r i l o g h d l 对频率综合器系统进行建模，结合m a t l a b 对输出数据进行分析，优化环路参数选取，分析了频率综合器中各模块电路在频 率综合器环路之中的噪声贡献，给出了相位噪声性能优化方案。 2 对于频率综合器中的关键模块压控振荡器，采用一个3 4 g h z 低噪声l c v c o 结合5 6 g h z 低功耗l cv c o 实现宽带的目的。 3 采用对称l c 滤波网络、q 值高达1 6 的差分电感以及套筒式误差反馈放大 器组成的片上l d o 的设计方法，对尾管噪声、l c 谐振器噪声、电源噪声分别进 4 2 0 l1 届华东师范大学硕士学位论文 行抑制来提高v c o 相位噪声性能。( d e s i g no f aw i d e b a n da n dl o w p h a s en o i l cv c o ，e i ) 4 对于小数频率综合器中的d e l t a s i 舯a 调制器，提出了一种三阶四比特误 差反馈型增量总和调制器硬件模型( 专利申请号：2 0 1 0 1 0 1 8 1 9 5 5 3 ) ，并成功应 用到了设计中，实现了较小的频率分辨率和较好的带外杂散性能。 5 采用0 1 3 岬c m o s8 s f 工艺实现了一款频率范围在o 7 g h z 5 5 5 g h z 之 间的d e l t a s i g m a 小数分频频率综合器。芯片面积为2 2 i n i l l 2 2 m m ，采用q f n 4 8 a 封装，功耗为2 5 0 m w 。测试结果表明：在载波频率为8 6 0 m h z 时，相位噪声为 1 2 8 d b c h z l m h z ；在载波频率为5 5 5 g h z 时，相位噪声为1 2 4 d b c 3 瑚z ； 相位噪声可以满足u h fr f i d 、w c d m a 、t d s c d m a 、i e e e8 0 2 1l 矶 g 协议 要求。 1 4 论文组织架构 本论文的章节组织如下： 第一章为前言，主要阐述了研究背景，并且对国内外发展的现状进行了分析。 说明了论文的研究意义。 第二章对小数频率综合器系统进行了建模，根据u h fl 玎d 、w c d m a 、 t d s c d m a 、i e e e8 0 2 1l a b g 协议给出了系统的设计规范。 第三章对频率综合器中核心模块压控振荡器的设计进行了分析，设计和优化。 先对噪声理论进行了总结，接着对目前振荡器降低噪声技术进行了比较，设计了 一个低噪声和一个低功耗的压控振荡器。 第四章主要针对电流模式( c m l ) 高速二分频电路的速度和功耗进了优化。 对二分频电路的灵敏度曲线进行了分析。 第五章是d e l 协s i 鲫a 调制器的设计，并提出了结构简单的三阶四比特误差反 馈型增量总和调制器的设计。 第六章是频率综合器中其它电路模块的设计，包括鉴频鉴相器电路、电荷泵 电路、片外环路滤波器、脉冲吞咽计数器和带隙基准电路的设计。 第七章为全芯片版图设计及芯片的测试验证。对全芯片版图的布局布线注意 事项进行了总结，对芯片的测试方案进行了说明以及对测试结果的分析。 第八章是总结展望。对本文的主要工作进行了总结，对所存在的不足以及进 一步的改善方案进行了展望。 2 0 l l 届华东师范大学硕士学位论文 第二章小数频率综合器的系统建模与设计指标分析 频率综合器是无线通信系统中的一个重要的射频模块，其位置如图2 1 所示， 主要作用为是为混频器提供高纯度的本振( l o ) 信号，将中频( i f ) 信号上变频 到射频( i 心) 信号由天线发射出去；或是将射频( r f ) 信号下变频到中频( i f ) 信号交给基带进行处理。其锁定速度、相位噪声、频率精度、杂散、功耗等指标 对无线收发系统有决定性作用。 图2 1 无线收发机芯片系统示意图 作为本振系统的频率综合器，通常协议要求进行信道切换，这就需要频率综 合器在进行调频时拥有快速的建立时间，能够及时对环路作出响应。 另外协议规定要求频率偏差有一个容忍范围，超过这个范围将对系统实现数 据传输质量构成影响，因此根据协议的不同，通常要求不同的频率精度。 实际应用中，无线收发机存在很多非理想因素，如：发射机和接收机之间存 在直接馈通，多个同频无线设备之间存在相互干扰，故通常希望本振系统拥有较 好相位噪声和杂散性能，就发射机而言要降低临近信道的功率泄漏，防止频谱超 过协议规定的频罩曲线，保持较高的临道抑制能力；接收机需要较强的抗干扰能 力，以适应于多个无线通讯设备使用的环境。频率综合器的杂散性能和相位噪声 性能很大程度上决定了整个无线通讯系统的灵敏度和动态范围【2 0 1 。 从上可知，杂散性能和相位噪声作为频率综合器的重要指标，设计过程中需 要高度重视。 6 2 0 1 1 届华东师范大学硕士学位论文 2 1 频率综合器的实现方法 频率综合器的主要实现方法如表2 1 【2 1 】： 表2 1 频率综合器实现方法总结 频率综合器结构优点 缺点 直接模拟结构相位噪声好面积大、功耗大 d a s锁定速度快 直接数字结构 频率精度高功耗大、杂散性能差 d d s 锁定速度快 延迟锁定环结构 相位噪声性能好频率低，频率输出不可编程 d l l 整数分频低功耗 锁定速度较慢 低噪声频率精度受限于参考频率 d a c 相位补偿锁定时间快受d a c 本身精度的影响 频率精度高电路设计复杂度大 随机数分频锁定时间快 引入不可滤除的随机白噪声 频率精度高相位噪声性能差 基 于 小 电路实现较复杂 数 p 相位及脉冲插入锁定时间快引入不可滤除的随机白噪声r分 结 频 构 杂散分量小相位噪声性能差 电路实现较复杂 噪声整形法锁定时间快 相位噪声性能好电路实现复杂 杂散性能好 双环路 锁定速度快功耗大，面积大 频率精度高实现复杂度高 基于锁相环的频率综合器结构图如图2 2 所示， 7 2 0 l l 届华东师范大学硕士学位论文 图2 2 基于锁相环的频率综合器的结构示意图 p l l 是一个负反馈环路，它迫使输出信号的相位与参考信号的相位相同。一 个p l l 由参考频率，鉴频鉴相器，电荷泵，环路滤波器和压控振荡器组成。压控 振荡器输出信号的相位与参考频率的相位通过鉴频鉴相器进行比较。相位差的极 性用来产生电荷泵开关的控制信号，从环路滤波器中泵出或泵入电荷，调节压控 振荡器的控制电压，改变输出信号频率。当环路稳定以后，可以得到输出信号频 率和输入信号频率的关系： 厶= 厶 ( 2 1 ) f 0 是参考频率，由频率高度稳定的石英晶振电路提供，是输出频率，n 是分频比，由基带控制信号来确定，从而得到期望的输出频率。 根据n 是整数还是小数可以将锁相环频率综合器分为整数型频率综合器和小 数型频率综合器。 对于整数型频率综合器，输出信号的频率变化步长与参考频率相同。当协议 规定了信道宽度以后，参考频率就确定了。对于信道带宽比较小的通信协议，参 考晶振的频率也要很低，从而限制了环路的带宽，影响了锁定速度和相位噪声性 能。环路带宽要小于参考频率的十分之一以避免参考馈通效应。 小数分频器有效的解决了环路带宽与参考频率之间的矛盾。拥有较快的环路 锁定速度和杂散抑制能力，因而得到了广泛应用。其中以d e l 协s i g m a 调制器实现 小数分频的方法应用最为广泛，因为d e l t a s i g m a 调制器的过采样和噪声整形作用 可以在实现较小的频率分辨率的同时有效抑制杂散。 8 一 ， 一 2 0 1 1 届华东师范大学硕士学位论文 2 2 小数锁相环频率综合器结构分析与选取 针对宽带频率综合器实现已经提出了很多系统结构，这些结构的思想是通过 压控振荡器结合分频器和混频器来实现多频段覆盖的目的。 如文献提出的多模多频频率综合器结果如图2 3 所示，其优点在于提出来 利用混频器和分频器来覆盖频率的方法，但电阻做负载的单边带混频器会有镜像 信号产生，这个需要额外的滤波器滤除，需要消耗较大的功耗。 图2 3 多模频率综合器实现方案一【1 2 】 文献【1 4 】提出了图2 4 所示的结构： 图2 4 多模频率综合器实现方案二【1 4 】 与上面相比，该结构所示的电路中仍采用了单边带混频器的方案，取其输出 信号上边带，可得到较高的频率。为避免四分频器输出的三、五次谐波而引入杂 9 2 0 l1 届华东师范大学硕士学位论文 散从，系统使用谐波抑制的单边带混频器，其输出仅供给w l a n 标准。谐波抑制 单边带混频器可抑制一路输入的三、五次谐波，而不像多相波器需要额外功耗， 只需要额外的两相信号( 4 5 度，1 3 5 度) 相位信号，四分频过程中是可以得到的。 同时混频器输出只供w l a n8 0 2 1 1a 标准，8 0 2 1 la 采用o f d m 调制方式，更关 注l o 信号积分相位噪声来评估系统子载波间的干扰，所以对杂散的要求并不高， 经过谐波抑制后，杂散信号的频率远离了频率综合器所支持标准的频带。2 g h z 附近信号可以直接通过p l l 输出的二分频来得到。二分频器不会引入杂散，还会 对杂散、相位噪声有一定的改善作用。频率综合器中的压控振荡器采用正交输出 型结构，所以可以不用多相滤波器直接把正交信号输出到h r s s b m i x e r