（微电子学与固体电子学专业论文）基于sige+bicmos工艺的高速、低功耗分频器设计.pdf

中文摘要 摘要：在无线通讯日新月异发展的今天，如何设计一种低功耗、高速分频器己经 成为通讯系统设计的一个重要的问题，本文在前人的基础上就这个问题作了一下 比较系统地总结和研究。 高速分频器是锁相环频率合成器的重要组成部分，位于射频锁相环的反馈部 分。分频器的输入信号为锁相环的射频输出信号，输出信号为频率较低的锁相环 反馈输入信号。由于工作频率范围在射频，分频器也是锁相环中功耗最大的部分 之一。低功耗的分频器设计可以很大程度上降低整个频率合成器的功率损耗。 本文首先总结了用于各种通讯系统的分频器结构及分类，并对它们各自的优 缺点作了论述。接着介绍了分频器中最重要的单元二分频器，分析了几种二分频 器的电路结构，重点分析了差分式b i c m o s 触发器二分频器结构。 根据对分频器结构的总结研究，深入探讨了一种应用于频率合成器的低功耗、 高速分频器的设计研究。本文着重分析了分频器各个模块的设计过程，对前置预 分频器、程序分频器等各个模块都有详细的设计说明。其中，双模前置预分频器 位于反馈回路的前端，主要任务是将高频的输入信号预分频，便于后续操作；而 程序分频器的作用是通过控制输入信号， 分频器分频数可控的目的。在本设计中， 分频器的输入为6 比特。 来确定整个分频器的分频数，从而达到 双模前置预分频器的除频数为8 9 ，程序 在电路的设计过程中，本文根据电路的实际情况，对分频器的结构提出了一 些新的想法，并通过电路的仿真证明这些想法是行之有效的。例如，在设计前置 预分频器的逻辑控制门电路时，就根据电路的具体情况将几个逻辑门简化为了一 个逻辑门电路，提高了电路的性能。 本设计采用j a z z 公司的0 3 5l am 的s i g eb i c m o s 工艺，该工艺的应用目标 为射频，模拟和数模混合集成电路，尤其长于射频集成电路的制造；使用射频集 成电路仿真软件c a d e n c e 的s p e c t r er f 对电路进行仿真。仿真结果显示分频器在5 5 至1 2 5 温度范围内，2 7 v 至3 3 v 的电源电压范围内，工作良好。最高工作频 率为4 8 g h z ，前置预分频器的功耗电流为5 5 m a ，程序分频器的功耗电流为 1 7 m a 。 关键词：频率合成器；双模前置预分频器；程序分频器；s i g eb i c m o s 工艺；低 功耗：触发器 分类号：t n 7 7 2 ；t n 4 3 3 a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h e r ei sag r e a ti m p r o v e m e n ti nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn o w , h o w t o d e s i g nak i n do ff r e q u e n c yd i v i d e rw i t hl o wp o w e r a n dh i g hf r e q u e n c yh a sb e c o m ea l l i m p o r t a n tw o r k i ti st r e a t e ds e r i o u s l y i nt h i sd i s s e r t a t i o nb ys u m m a r i z i n gm a n yp e o p l e s w o r k t h e h i g hs p e e d d i v i d e ri so n eo ft h ec r i t i c a lc o m p o n e n t s i np l l f r e q u e n c y - s y n t h e s i z i n g ；i ti s af e e d b a c kb l o c ki nr fp l l t h ei n p u ts i g n a lo ft h e d i v i d e ri si ng h zr a n g ea n di t so u t p u ts i g n a li si nl o wf r e q u e n c yr a n g e t h eh i g hs p e e d d i v i d e ri so n eo ft h eg r e a tp o w e rd i s s i p a t i o np a r t si np l l s oa l o wp o w e rd i s s i p a t i o n d i v i d e ri si m p o r t a n tt ot h ep l lf r e q u e n c y s y n t h e s i z i n g i nt h i sp a p e r , f i r s t ，ab r i e fi n t r o d u c t i o no ff r e q u e n c yd i v i d e ri sg i v e n m a n yk i n d so f t h ed i v i d e i j ss t r u c t u r eb l es u m m a r i z e da n dc o m p a r e ds i m p l y i na d d i t i o n ，t h em o s t i l n p o r t a n tc e l l o ft h ed i v i d e r - - - d i v i d e - b y - 2c e l li si n t r o d u c e d t h e r e a r es e v e r a l s t n l c h l r e so fd i v i d e - b y - 2c e l l t h ed i v i d e - b y - 2c e l lw i t hd i f f e r e n t i a lb i c m o sf l i p f l o p h a sb e e nc h o s e nf o rt h ed e s i g n a c c o r d i n gt ot h es u m m a r ya n ds t u d yo ff r e q u e n c yd i v i d e rs t r u c t u r e ，t h i sp a p e r d e s i 盟e dal o wp o w e r , h i g hs p e e dd i v i d e r i ti s u s e di np l lf r e q u e n c y 。s y n t h e s i z i n g t h i sp a p e rf o c u so na n a l y z i n gt h ed e s i g np r o c e s so fe a c hm o d u l eo ft h ef r e q u e n c y d i v i d e r e a d lm o d u l e so ff r e q u e n c yd i v i d e rh a si l l u m i n a t e dd e t a i l e d ，s u c ha sp r e s c a l e r , p r o g r a m m a b l ed i v i d e ra n ds oo n t h ep r e s c a l e rl o c a t e da tt h ef r o n t e n do ft h ef e e d b a c k 1 0 0 p w h o s ef u n c t i o ni s t od i v i d et h eh i g hf r e q u e n c yi n p u ts i g n a l ，t of a c i l i t a t et h e f o l l o w i n go p e r a t i o n ；t h ep r o g r a m m a b l ed i v i d e r s f u n c t i o ni st od e t e r m i n et h ee n t i r e f r e q u e n c v d i v i d e r sf r e q u e n c yd i v i s o r ，s ot h a tt h ef r e q u e n c yd i v i s o rc a nb ec o n t r o l l e d i n t 】 l i sd e s i 2 风t h ef r e q u e n c yd i v i s o ro ft h ed o u b l e m o d u l u sp r e s c a l e rd i v i d e ri s8 9 ；t h e i n p u to f t h ep r o g r a m m a b l ed i v i d e ri s6b i t s i nt h ed e s i g np r o c e s s ，s o m en e wi d e a sa b o u tt h ef r e q u e n c yd i v i d e r ss t r u c t u r eh a s b e e np u tf o r w a r du n d e rt h ea c t u a lc o n d i t i o n s ，a n dt ob ep r o v e de f f e c t i v et h r o u g h s i m u l a t i o n f o re x a m p l e ，w h e nt h ep r e s c a l e r sl o g i c a lc o n t r o lg a t ei sd e s i g n i n g , ir e d u c e s e v e r a ll o g i c a lg a t e st oo n el o g i c a lg a t ea c c o r d i n gt ot h ea c t u a lc o n d i t i o n s ，e n h a n c e t h e p e r f o r m a n c e o f t h ed i v i d e r j a z z0 3 5 1 t ms i g eb i c m o st e c h n o l o g yi su s e di nt h i sd e s i g n ，w h i c ha p p l i c a t i o n g o a li sr f , a n a l o ga n dm i xs i g n a li c t h ec i r c u i ti ss t i m u l a t e db yc a d e n c es p e c t e r r f t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w nt h a tt h ed i v i d e rc a nw o r kw e l lb e t w e e nt h et e m p e r a t u r e s 5 5 。c 1 2 5 c ，s o u r c ev o l t a g e2 7 v 3 3 v t h eh i g h e s tw o r kf r e q u e n c yi s4 8 g h z ，t h e p r e s c a l e rd i s s i p a t i o nc u r r e n t i s 5 5 m a ，a n dt h ep r o g r a m m a b l ed i v i d e rd i s s i p a t i o n c u r r e n ti s1 7 m a k e y w o r d s ：f r e q u e n c y - s y n t h e s i z i n g ；p r e s c a l e r ；p r o g r a m m a b l ed i v i d e r ；s i g e b i c m o st e c h n o l o g y ；l o wp o w e r ；f l i p f l o p c l a s s n 0 ：t n 7 7 2 ；t n 4 3 3 v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名：玖k 坟 签字同期：如孑年月f d 同签字日期：抄o p 年否月加日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：揪 签字日期：如。矿年月脸 1 3 5 9 致谢 本论文的工作是在我的导师袁晓军教授的悉心指导下完成的，袁晓军教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 袁晓军老师对我的关心和指导。 骆丽教授、张宏科教授以及刘章发教授悉心指导我们完成了实验室的科研工 作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向这些老师表示衷心 的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，杜春山师兄、路宁师兄、刘静同学等对我论 文研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。同时感谢邓素兰、 俞帆、赵建飞。刘招林等同学在研究生阶段的学习生活中给我的关心和帮助。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 引言 人类社会的发展离不开通讯，有证据表明每一次通讯技术的发展与革新都会 带来社会生产力的极大提高。从古代的烽火台传递战争的信号，到跨越两地之间 的电报电话的出现，到二十世纪末电脑网络的急速发展与普及，每一个阶段都标 志的人类社会文明程度的巨大提高。近年来，微电子与超大规模集成电路技术的 巨大进步，实时便捷的获取与交换信息的强烈愿望促使了无线通讯技术的诞生并 使之以一种前所未有的速度发展与更新。 1 1 技术背景 在目前市场上无线通讯技术主要应用于三种产品，即数字蜂窝移动通讯、蓝 牙和无线局域网。在这些方面，它们替代以前的有线通讯方案，完成语音，接口 和数据通讯，并不断向更高的数据率、频谱利用率、安全性、传输质量以及灵活 性方面发展。 在移动通信领域，数字移动通讯实现了人们在任何时间、任何地点与任何个 人进行通信的愿望，是未来理想的个人通信服务的必由之路。移动通信技术的发 展趋势是向数字化、宽带化发展。它的发展主要包括了第二代移动通信标准的 g s m 、c d m a 以及使用户享受到真正的移动多媒体系统的第三代移动通信标准 3 g 。 蓝牙技术( b l u e t o o t h ) 产生于1 9 9 4 年爱立信推出的解决短距离无线接入问题 的技术开发计划，蓝牙方案是由i n t e l 、i b m 、爱立信、诺基亚和东芝等公司于1 9 9 8 年组成的s i g 提出并制定的，被认为是2 0 0 0 年最有前途的十大技术之一。蓝牙技 术是一种无线数据与语音通信的开放性标准，它以低成本的近距离无线连接为基 础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接。如果把蓝牙技术引入到移动 电话和便携型电脑中，就可以去掉移动电话与便携型电脑之间令人讨厌的连接电 缆而通过无线使其建立通信。打印机、p d a 、桌上型电脑、传真机、键盘、游戏 操纵杆及所有其它的数字设备都可以成为“蓝牙技术系统的一部分。除此之外， 蓝牙无线技术还为己存在的数字网络和外设提供通用接口以组建一个远离固定网 络的个人特别连接设备群。 无线局域网( w l a n ) 作为有线网络的发展和补充，具有其特有的优势。9 0 年代初，工作在9 0 0 m h z ，2 4 g h z 和5 g h z 频率上的无线局域网设备就已经出现， 但是由于价格、性能、通用性等种种原因，没有得到广泛应用。1 9 9 7 年6 月，第 一个w l a n 标准i e e e 8 0 2 1 1 正式颁布实施，为w l a n 的物理层和m a c 层制定 了统一的标准，有力地推动了该技术的快速发展。 1 2 频率合成器与分频器简介 在无线通讯协议中，两地无线通讯所发出和接收的信号往往需要在不同的信 道间来回切换。为实现选频与跳频的功能，一般是通过不断调整本地振荡频率， 在混频器中使本地振荡信号和数据信号混频，使数据信号能在所需要的信道罩传 送和接收。 其中频率合成器的功能就是根据通讯需求产生并调整本征振荡频率，在现今 的通信系统中，有许多常见的频率合成器的结构，如直接数字频率合成器，直接 模拟频率合成器和基于锁相环的频率合成器等。它们在不同的场合及性能指标要 求下有着不同的应用。 直接数字频率合成器又被称为数值控制振荡器( n c o ：n u m e r i c a lc o n t r o l l e d o s c i l l a t o r ) ，因为频率合成器的输出正弦波的频率是受存储在存储器中的数值所控 制的。其优点为输出频率的切换速度较快并且有很高的分辨率，但受存贮器和d a c 速度的限制，其输出频率不易做成很高。 直接模拟频率合成器是通过乘、除参考信号或者与参考信号混频来产生所需 的频率。直接模拟频率合成器的优点为其频率变化快，且精度可以控制，频谱纯， 缺点是难以集成，功耗大。 在所有的无线通信应用中采用的都是基于锁相环的频率合成技术。可以合成 很高的频率，同时易于集成。锁相环电路的应用己有数十年。基本的锁相环电路 输出信号同步于输入参考信号。输出信号与输入参考信号同频并且相位差为固定 值。一个简单的锁相环电路框图如图1 2 1 。 图1 2 1p l l 框图 f i g 1 2 1b l o c kd i a g r a mo f p l l 鉴相器比较输入参考信号与压控振荡器( v c o ) 的输出信号，误差信号圪正比 于两者的相位差。圪经低通滤波器产生v c o 控制信号圪。负反馈环路强制v c o 2 锁定输入参考信号频率。 在锁相环反馈回路中插入一个除法器即可构成频率合成器，如图1 2 2 。 图l - 2 2 ：基于锁相环的频率合成器 f i g 1 - 2 - 2 ：t h ep l lf r e q u e n c y - s y n t h e s i z i n g 环路输出频率厶，与输入参考频率厂村关系为： f o 鲥= 彻= 厶+ y c k ( 1 - 1 ) 式中厶为v c o 本征振荡频率，k 为v c o 的增益。通过调整除法比n 就可 以得到不同的环路输出频率。 锁相环频率合成器作为c m o s 射频电路中发射和接收的重要部分，产生高质 量的高频本振信号。而在反馈回路上的分频器则是频率合成器的重要组成部分。 在频率合成器中，含有固定和程序分频器的锁相环称为数字式单环。它是构 成数字式频率合成器的基本环节。在数字式单环中，固定与程序分频器的第一个 作用是将压控振荡器的频率降低到鉴相频率附近，以便在鉴相器内与参考频率比 相，利用其所产生的误差信号来纠正压控振荡器的频率；程序分频器的第二个作 用为改变合成器的工作频率。固定与程序分频器有时统称为分频器，它是数字式 合成器的重要部件，合成器的许多重要特性，例如信道间隔、相位噪声、功耗、 环路结构、成本、重量等均与分频器的性能和参数有关。 程序分频器大致可分为一般程序分频器和吞脉冲程序分频器两大类。一般程 序分频器按其工作原理可分为复位式、预置式、复位预置式三种。复位式程序分 频器使用比较电路将置位开关所确定的电平码与分频器内各触发器的状态进行比 较，当分频器的状态与电平码相同时，比较电路产生一个输出脉冲，并将分频器 强制置零；预置式程序分频器使用预置电路来控制分频器的复位操作，通常分频 器的读出状态是固定的，在计数过程中到达读出状态时产生输出脉冲，并被反馈 至预置电路，使分频器预置到分频器的补数上，从而完成一个计数循环；而复位 预置式程序分频器是复位式和预置式程序分频器的结合，这种程序分频器在进行 预置之前，先将分频器内的触发器全部复零，因而预置操作变成为仅仅是有选择 地对触发器置“1 ，这样就能简化预置电路和提高速度。一般程序分频器的速度 3 往往局限于中速的范围内，当分频器需要工作于高速时会遇到如下困难： ( 1 ) 预置操作在各可变分频器内是同时进行的，如不采用附加逻辑电路，则 各分频器需要有相同的速度，高速器件太多增加了功耗与成本。 ( 2 ) 在一个系统内，高速器件太多增加了布线、结构上的困难，并使系统的 实际速度难以提高。 ( 3 ) 高速、超高速器件的种类较少( 通常为d 触发器) ，减少了系统设计的灵活 性。 由于上述原因，程序分频器的速度长期以来局限在中速范围内而未有突破， 这种情况使得人们采用了脉冲吞除技术来提高分频器的工作速度。 脉冲吞除技术是程序分频器在计数方法上的一次改进。一般程序分频器工作 时，首先是个位然后是十、百、千位计数。它有两个特点。第一，个位接受高速 脉冲，因而承受压力最大。第二，必须对包括个位在内的各位分频器进行预置。 由于这些特点，使得在应用这种计数方法时，必须在高速电路中进行预置操作。 而脉冲吞除技术把个位可变分频器的计数方法加以改造。该方法引入一个前置分 频器( 又称双模可编程分频器) 来实现这种改造。吞脉冲程序分频器由前置分频器、 吞除计数器、十、百、千位程序分频器、控制逻辑等部分组成。前置分频器只有 两个分频比( 分频比又称为模式) ，并且其工作模式可以由外来控制信号控制。 吞脉冲程序分频器与一般程序分频器相比，增加了前置分频器、吞除计数器、 控制逻辑三部分。吞除计数器电路结构上与一般程序分频器完全相同，控制逻辑 部分只需少量数字电路即可，因此，吞脉冲程序分频器的关键部分是前置分频器， 即双模可编程分频器。 实用上，前置分频器通常可有2 3 、3 4 、4 5 等几种工作模式，利用这些基本 的模块可以构造更大除数的双模频率除法器。 由于无线通信系统中频率合成器的输出信号频率非常高而同时这个信号又要 通过频率除法器传递到鉴频鉴相器与输入参考信号进行比较因此要求频率除法器 也必须工作在高频环境下。由于超大规模集成电路工艺的不断进步以及高速触发 器电路结构的发展完善，使得现阶段集成频率除法器可以工作于几百m h z 或几个 g h z 甚至几十个g h z ，以满足各种不同的通信系统的要求。 1 3s i g eb i c m o s 技术简介 以上各个应用领域的射频前端接收机系统，都对低成本、低功耗和高容量提 出了要求。但是长期以来，射频前端芯片主要由分离元件或集成度低的射频芯片 构成的，不能满足目前射频集成电路的需求，并且这些芯片一般都采用砷化稼 4 ( g a a s ) 、双极型硅( s i l i c o n b i p o l a r ) 等工艺实现。虽然g a a s 器件的电子迁移率高， 漂移速度快，适于制作高速和微波器件，但是，g a a s 仍然也有诸多的限制。晶圆 片制作工艺复杂，尺寸远远小于s i 圆片( 3 0 0 m m ，1 2 英寸) ，且价格昂贵；g a a s 衬底机械强度不高，集成电路制造中的加工要求苛刻，以致成品率低；此外，g a a s 晶圆片的热导率低，与硅平面制作工艺不兼容，不能与s ic m o s 电路集成在同一 芯片上做成单芯片系统。 而s i g eb i c m o s 技术将高频性能优异的s i g eh b t 器件与工艺成熟价格低廉 的s ic m o s 器件集成，在改进s i 器件性能的同时又保留s i 集成电路极大的成本 和制造优势，即能制造高频、高增益、低噪声特性器件又适合大规模集成如表1 1f l j 。 表1 - 1s i g eb i c m o s 技术优势 t a b l e1 - 1a d v a n t a g eo fs i g eb i c m o st e c h n o l o g y k e y p e r f o r m a n c ea t t r i b u t e r fd e s i g n s u p p l y t e c h n o l o g y c o s tp o w e r i n t e g r a t i o n m a r g i o ns e c u r i t y c m o s m o d e r a t em o d e r a t e h i 曲p o o rh i 曲 b i p o l a rc h e a ph i 曲 l o w g o o d m o d e r a t e s ib i c m o s e x p e n s i v e m o d e r a t e h i 曲g o o dh i 曲 g a a s o t h e r e x p e n s i v eh i 曲 l o we x c e l l e n tl o w s i g eb i c m o s m o d e r a t e1 0 w h i 曲 e x c e l l e n t h i g l l 具体来说有以下几大优点： ( 1 ) s i g e s i 异质结材料和i i i - v 族材料比较，更适合制作n p n 型的s i , 一，g e 基x 区s i g eh b t 器件。因为它的禁带偏移只限于价带上【2 】，在基区恰好形成了空穴的 势阱，阻挡空穴从基区向发射区的反向注入，而不影响电子向基区的注入。而 a i g a a s 和g a a s 的能带不仅有较大的价带差别，而且有较大的导带差别，当二者 形成i 一p + 结时，基区- - n 形成导带凹陷，会增大电子在界面的复合几率；发射区 一侧形成导带势垒，会阻碍电子向p + 基区的注入。 ( 2 ) s i g eb i c m o s 技术与目前成熟的s i 工艺平台完全兼容。新近发展的低温 外延、低温淀积技术、原位掺杂、离子注入等技术，完全可以满足s i g eb i c m o s 工艺中的精确组分控制和低温要求，所以只需在现有的s ic m o s 工艺上略作改变 就可以实现s i g eh b t 和s ic m o s 器件的集成。这样便可以大幅度的提高电路集 成度。例如，无线通信中使用了s i g eb i c m o s 工艺，便可使r f 和基带电路集成 在同一芯片上，从而省去i f 级。 5 ( 3 ) 基于s i g eb i c m o s 技术的s i g eh b t 器件具有良好的高频和噪声特性。 s i g eh b t 器件工作频率可直接应用微波频段，不仅解决了电路应用中频率和功耗 矛盾，噪声性能也取得突破性提高。随着m b e 、u h v c v d ( 超高真空化学气象 沉淀) 的出现，s i 基技术进入“能带工程”时代。通过剪裁半导体能带，使s i g e 器件无须借助于缩小器件尺寸而提高器件性能，并能满足特定的应用，为电路设 计提供了更多的自由度，不但可大幅提高器件的性能，甚至能产生新的电路结构。 ( 4 ) s i g eb i c m o s 技术不仅能提高集成电路性能，且价格也十分低廉，材料 对生产厂家来说也易于实现。s i g e 技术本身的成本比较低，将s i g e 技术引入 s i b i c m o s 只需增加1 0 的成本，就可以使b i c m o s 的性能达到高一代工艺水平 的s ib i c m o s 的性能。目前建一条高档8 英寸的生产线需投资十几亿美元，建一 条1 2 英寸的生产线要2 0 - 3 0 亿美元。由于集成电路投资巨大，技术进步迅速，竞 争激烈，必然带来投资风险。与投资高一代工艺水平的s i 工艺生产线需十多亿美 元相比，增加s i g e 外延设备只需几百万美元。 由此可见s i g eb i c m o s 技术具有非常好的市场前景。根据市场调研公司 s e m i c or e s e a r c h 的分析，s i g eb i c m o s 技术将成为半导体复合材料的主流技术。 1 4 论文的主要工作 本论文的主要研究工作包括： ( 1 ) 研究了几种分别应用于不同类型频率合成器的分频器的结构，比较其功 能和性能上的优劣，从架构上对分频器结构的选取作了详细地阐述。 ( 2 ) 选择一个适合所设计分频器要求的，适合工艺条件的分频器结构作为重 要参考，从宏观上确定了整个分频器电路的具体结构。 ( 3 ) 根据电路的实际要求，设计出了一款除8 9 的双模前置预分频器。 ( 4 ) 根据所设计的双模前置预分频器以及电路输出的要求，设计出了一款程 序分频器。 ( 5 ) 绘制了电路的版图，进行了电路的后仿真。 总的来说，本论文的工作是在对前人工作成果的大量调查和研究学习的基础 上，提出了一些自己的创新和改进，如在设计前置预分频器的信号逻辑控制门电 路时，就根据电路的具体情况将将几个逻辑门简化为了一个逻辑门电路，提高了 电路的性能。在电路设计的过程中主要以高速、低功耗为设计的具体目标。 1 5 论文的组织结构 6 本论文对分频器的理论和结构进行了系统地分析和研究，论文的具体组织结 构如下： 第一章引言 本章首先介绍了频率合成器在无线通信系统中的广泛应用，以及高速分频器 在频率合成器中的重要作用，简要介绍了频率合成器和分频器的结构分类，并介 绍了本设计所采用的s i g eb i c m o s 技术。 第二章分频器的结构分析 本章分析了应用于频率合成器系统的分频器结构分类，重点分析了预分频器 的四种结构，以及二分频器的几种实现方式，并对各个结构的优缺点进行了比较。 介绍了程序分频器，并确定了所设计的分频器的大致结构。 第三章分频器的具体设计 本章具体介绍了分频器电路各个模块的具体设计过程，主要有双模前置预分 频器和程序分频器两大部分。着重介绍了对电路各个模块的结构选择、优化改进、 测试仿真等等过程。 第四章分频器的版图设计及电路的后仿真 本章主要是进行了分频器电路的版图设计，并进行了电路的后仿真，并与电 路仿真结果进行了比较。 第五章总结 7 2 分频器的结构分析 2 1 分频器的基本结构 在引言中已经对分频器进行了简单的介绍，由于由压控振荡器输出的振荡信 号的频率很高，普通的数字电路很难在这么高的频率下正常工作，所以让该信号 通过预分频器进行降频，一般都采用模拟电路来实现，另外，该预分频器还要能 在两个或多个分频比之间实现切换，假设预分频器的分频比为m m + i 。经过预分 频器的降频后，就可以利用数字分频器来使信号频率再降为和参考频率相当的水 平，这就是程序分频器所应实现的功能。程序分频器主要由可编程计数器和吞脉 冲计数器组成，其中可编程计数器将预分频器输出的信号再一次降频，设其分频 数为p ，而吞脉冲计数器是按照具体要求来调整预分频器的分频比，它有计数功能， 计数设为s 。其中p 和s 的大小由控制字决定，所以分频器的总的分频数n 为 3 1 ： n = ( 尸一s ) m + s ( m + 1 ) = p m + s( 2 1 ) 分频器的结构有很多种，它们往往依照信号频率和频率合成器的结构而选取。 对于现在的无线通讯系统而言大部分信号都工作在3 g h z 或者更高频段，同时为了 实现信号的边带抑制或镜像抑制，现在的混频器大都需要四路正交( i q ) 的本振 信号，所以产生高匹配度的四路正交的高频本地振荡信号便成为频率合成器的主 要功能。在业界主要有三种解决方法：第一种是半频式结构，压控振荡器产生振 荡频率为主频的一半，再加倍频器通过一个延迟锁相环输出四路正交信号；第二 种是等频式结构，压控振荡器产生与主频等频的振荡信号然后接电容电阻移相网 络，或者直接使用正交祸合压控振荡器( q v c o ) ，使压控振荡器的输出变成四路 正交信号；第三种是倍频式结构，产生两倍于主频的振荡信号，再加二分频器生 成四路正交信号输出。 因为片上的l c 振荡器可以工作在很高的频率上，因而预分频器就成为高频 p l l 环路的瓶颈了，通常，预分频器要消耗很大一部分功耗，而且最高工作速度 也受特定c m o s 工艺的限制。预分频器往往决定了分频器的主要性能，在这里先 介绍双模( 多模) 预分频器的基本结构。 2 2 预分频器的结构分类 预分频器存在于频率合成器的反馈回路中，对压控振荡器信号进行预分频处 理，降低信号的频率，便于其后的数字分频器对信号的进一步处理。 8 常见的预分频器的结构有：基于动态逻辑的预分频器、基于双模分频器级联 的预分频器、基于异步逻辑的预分频器、基于相位开关的预分频器，下面对这四 种结构进行简单的介绍。 2 2 1基于动态逻辑的预分频器 如图2 2 1 ( a ) q i 所示的电路，这是一个除3 的频率除法器，由两个主从连接的 d 触发器和一个与门构成，该电路只有三种状态：q l q 2 = 0 0 ，1 0 ，11 。状态q l q 2 = 1 0 不存在( 除了刚启动时) ，因为若有此状态则要求前一个状态的q 2 值为1 ，同时前 一个状态的g 也为1 ，但因前一个状态的q 2 值为0 ，g 应为0 ，两者矛盾。所以 该电路能实现频率除3 的功能。 图2 - 2 1 除2 3 双模频率除法器( a ) ：除3 电路 f i g 2 - 2 - 1d u a l m o d u l u s2 3p r e s c a l e r ( a ) ：d i v i d e3 图2 2 1 除2 3 双模频率除法器( b ) ：除2 3 电路 f i g 2 - 2 - 1d u a l - m o d u l u s2 3p r e s c a l e r ( b ) ：2 3p r e s c a l e r 只要在图2 - 2 - l ( a ) 中的触发器e 和e 之间加入一个或门来控制e 的输出g ， 就可实现除2 3 双模频率除法器，如图2 2 1 ( b ) 所示。当控制信号m c 为高电平时， 触发器e 被屏蔽不起作用，输入信号c k 直接通过触发器e 实现二分频：当控制 信号m c 为低电平时，或门g 2 的输出等于其输入踢，这时输出信号厶的频率为 输入信号c k 的三分之一。 图2 2 - 2 ( a ) 除3 4 双模频率除法器 f i g 2 2 - 2 ( a ) d u a l m o d u l u s3 4p r e s c a l e r 9 朋c = 0 除3 m c = 1 除4 m c = 0 除4 m c = 1 除5 图2 - 2 - 2 b 除4 5 双模频率除法器 f i g 2 - 2 - 2 ( b ) d u a l - m o d u l u s4 5p r e s c a l c r 类似的双模频率除法器结构还有除3 4 以及除4 5 双模频率除法器( 图2 2 2 ) ， 由于无线通信系统中频率合成器的输出频率很高，压控振荡器的输出频率很高， 上述介绍的基本频率除法器除数还不够，因而一般都在如上基本电路中加上异步 频率除法器和逻辑控制电路，使频率除法器有更大的频率除数。比如除1 2 8 1 2 9 结 构( 以除4 5 为基础) 1 5 1 f 1 0 1 、除6 4 6 5 结构( 以除4 5 为基础) h i 、除1 5 1 6 结构 ( 以除3 4 为基础) 0 2 等。 图2 2 3 是典型的除1 2 8 1 2 9 及除6 4 6 5 的双模频率除法器电路。该电路可分 为三个部分：同步除4 5 电路，由5 个触发器级联构成的异步除3 2 电路，以及控 制逻辑电路。同步电路的输出送到异步电路，根据控制信号s w 的状态对异步级 联的输出进行选择，当s w = o 时，选择第五级输出信号，此时异步电路为除3 2 连 接，当s w = i 时，则选择第四级输出信号此时异步电路为除1 6 连接；同时结合 m o d e 信号及各级异步电路的输出信号产生控制信号m c 来控制同步电路的除4 或 除5 的选择，这样，总的除数就为1 2 8 1 2 9 或6 4 6 5 。 除4 5 模块 i 一一! i o a e3 w i i 砷 r 降倒l f 王净。五， il。西l i - - - - - - - - - - - - 二j f 弋 弋卜一- u 司 s wm o d el 。 o0 f 。n 1 2 8 瞄丑魁 iil 01 i i n 1 2 9 l | d “蚕卜jqd ”百 。f 叫 l0 厶6 4 l h 口i 11 厶6 5 1m 口卜一一口 il 除3 2 模块 图2 - 2 3 除1 2 8 1 2 9 或6 4 6 5 双模频率除法器 f i g 2 - 2 3d u a l - m o d u l u s12 8 12 9o r6 4 6 5p r e s c a l e r l o 图2 2 3 中的4 5 分频器以输入频率的全速状态工作，功耗消耗很大，并且由 于关键路径上逻辑门的存在限制了同步分频器的最高工作频率。如果将逻辑门嵌 入触发器中进行整体设计将能进一步提高最高工作频率。异步分频器由于工作频 率已经降低，所以对设计的要求没有同步分频器那么严格。如果同步分频器采用 2 3 分频器，那么由于降低了全速工作状态下的触发器数目，将能降低功耗。虽然 这将提高后面的异步分频器的工作频率，同时同步分频器的时序和延时要求会更 加紧张，设计难度提高，但是由于设计采用适合于高频电路的s i g eb i c m o s 工艺， 也使这种设计在输入为5 g h z 频率的情况下成为了可能。 2 2 2 基于双模分频器级联的预分频器 基于双模分频器级联的预分频器结构采用同步逻辑和异步逻辑相结合的方 法，把异步连接的每个d 触发器用一个同步的2 3 分频电路替代，用信号m c 和 几个简单的门电路可以对整个电路的分频比进行集中的控制，如图2 2 4 所示，这 样可以在功耗和工作频率之间进行折衷【1 3 1 。如果每一个2 3 分频器都由一个单独 的控制位控制，如图2 2 5 所示，则很容易实现多模预分频结构1 1 4 1 1 ”】。 但由于这种结构的多模分频器由于工作频率相对较低，一般用于低频，或者 用于将分频后的信号进行再分频。 图2 1 2 _ 4 基于双模分频器级联的预分频结构 f i g 2 2 4p r e s c a l e rs t r u c t u r eb a s e do nd u a l - m o d u l u sp r c s c a l c ri ns e r i e s 图2 - 2 5 双模分频器级联实现多模预分频结构 f i g 2 2 5a r c h i t e c t u r eo fat r u em o d u l a ra n ds c a l a b l em u l t i - m o d u l u sp r e s c a l e r 2 2 3 基于异步逻辑的预分频器 在文献【1 6 1 中提出了另一种预分频器的实现方法，它采用异步逻辑实现双 模预分频器，这样就更进一步降低功耗，因为只有第一个二分频器工作于全速状 态，而后的每一个二分频器的工作频率都降为上一个的二分之一。但是为了实现 分频数可调节的功能，这种结构需要对输入的时钟信号( 即v c o 的输出) 作预处 理，通过控制信号改变预分频器的分频比，实现2 “2 ”+ l 预分频的转换。但对时 钟信号进行预处理时往往会引入比较大的相位噪声，这通常是低噪声分频器设计 中所不希望出现的。 2 2 4 基于相位开关的预分频器 这种分频器是利用切换不同相位的波形，改变占空比和周期的方法来实现频 率多模分频1 5 】【1 7 】。如图2 2 6 所示的是一种相位开关型预分频器的框图。 图2 2 - 6 相位开关型预分频器的框图 f i g 2 2 - 6b l o c kd i a 踟o f p h a s e - s e l e c t i o np r e s c a l e r 在这种分频器结构中，首先对输入频率进行了两次异步二分频。由于采用异 1 2 步结构，所以只有第一级的二分频器工作在全速状态f ，从而降低了功耗。第二 级的二分频器的工作频率是输入频率的二分之一，分频后产生相位差9 0 的两路正 交信号i 路和q 路以及它们的倒相信号，在时延上它们依次相差一个输入信号周 期。 紧接其后的四选一选择器根据控制信号的要求使y 端在每个时刻仅选择其中 的一路信号。如果在所有的时间内y 端仅选择固定的一路输出，那么同后面的n 分频器相结合，在厶端输出4 n 分频的信号。如果如图2 - 2 - 7 所示的由i 路到q 路的相位切换过程，控制信号使得选择器在y 端完成一次相位相邻信号的切换， 那么在这个y 端的输出周期分频数由4 变为5 ，相当于多“吞掉”了一个输入周 期。如果在厶端的每一个输出周期内仅完成一次这种切换，那么预分频器总分频 数变为4 n + l 。 厶 r r 几r nr nn nr nn 几r i 厶2 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 ，厂 厂 厂 厂一 q 厂 厂厂 7 i 厂 厂 厂 孬 i 厂 厂 厂 y 图2 - 2 7 相位开关型预分频器产生五分频波形图 f i g 2 2 - 7w a v eo fad i v i d eb y5p h a s e - s e l e c t i o np r e s c a l e r 这种预分频器也是采用异步逻辑实现，而且也没