（电路与系统专业论文）基于TSMC+025um工艺的24GHz频率合成器设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 随着无线逶信市场的快速发展，对于高集成、低功耗、小面积射频收发器 的需求量不断增加。基于锁相环的频率合成器是无线收发器申的关键部件，它 工嫠于系统昀高羰部分，并且消耗了收发器中的大部分功耗。作隽频率合成器 中的重要构成模块，压控振荡器和频率合成器决定了整个合成器的功耗和速度 性能。 本论文的目的是基于t s m c0 2 5 9 i nc m o s 工艺设计一个2 4 g h z 全集成频 率合成器。压控振荡器采用n p c o r e 交叉耦合结构，提供差分输出，具有良好 的相位噪声和较低稳功耗，同时使用单电感节省了芯片面积。频率分频器采用 脉冲吞咽整数型分频器，其中，3 1 3 2 双摸预分频器使用非对称反序移相技术 设计，以提高工作频率和节省功耗。两个相同的八位可编程计数器用来作为频 率分频器的可编程猛，提高整个系统的可编程输出范围。为减少大电容所占芯 片的面积，使用电容倍增电路将小电容等效成一个大电容。利用c a d e n c e s p e c t r e r f 王具在2 5 v 藏潦毫压下仿真后的结果显示，环路锁定对闻小于5 0 s ，压控振荡器的输出频率范围为4 7 3 7 m h z 5 4 2 4 m h z ，经过一级奠分频电 路后输如四相位i q 信号，频率范围为2 3 8 0 m h 伊2 7 l o m h z ，可以满足无线标 准中蓝牙通信协议所需的频率要求。 关键词：c m o s ，频率合成器，压控振荡器，频率分频器，电容倍增 一l i 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er a p i d l yg r o w i n gw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm a r k e tc r e a t e sa t li n c r e a s i n g d e m a n df o rh i g h l yi n t e g r a t e dr ft r a n s c e i v e r so fl o w e rp o w e rc o n s u m p t i o na n d s m a l l e rd i es i z e s 们1 ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e r , w h i c hi s u s u a l l yf o r m e db ya p h a s e - l o c k e dl o o pp l l ) ，i sam a j o ra n dc r i t i c a lc o m p o n e n to faw i r e l e s s t r a n s c e i v e rb e c a u s ei to p e r a t e sa th i g hf r e q u e n c ya n dc o n s u m e sav e r yl a r g ep o r t i o n o ft h et o t a lp o w e rc o n s u m p t i o ni nt h et r a n s c e i v e r t l 艟p e r f o r m a n c ei np o w e r c o n s u m p t i o na n do p e r a t i n gs p e e do faf r e q u e n c ys y n t h e s i z e ra l el i m i t e db yt h et w o m o s t i m p o r t a n tb u i l d i n g b l o c k s ， n a m e l y t h e f r e q u e n c y d i v i d e ra n d v o l t a g e - c o n t r o l l e do s c i l l a t o r ( v c o ) 翻托o b j e c t i v eo ft h i sp a p e ri st od e s i g na 2 4 g h zf u l l yi n t e g r a t e df r e q u e n c ys y n t h e s i z e r sb a s e do i lt s m c0 2 5 t mc m o s t e c h n o l o g y an p c o r ec r o s s c o u p l e dv c o s t r u c t u r ei su s e dt op r o v i d ed i f f e r e n t i a l o u t p u t ，w h i c hh a sag o 磋n o i s ep e r f o r m a n c ea n dal o wp o w e rc o s t ap u l s es w a l l o w i n t e g e rf r e q u e n c yd i v i d e ri sa d o p t e dh e r et op r o v i d eap r o g r a m m a b l eo u t p u t t h e 31 3 2d u a l - m o d u l u s p r e s c a l e r i s d e s i g n e du s i n gi m b a l a n c e dp h a s e - s w i t c h i n g t e c h n i q u et oi m p r o v eo p e r a t i n gf r e q u e n c ya n ds a v ep o w e r t w op r o g r a m m a b l e c o u n t e ru s et h es a m es t r u c t u r et oi m p r o v eo u t p u tf r e q u e n c yr a n g e i nt h el o o pf i l t e r d e s i g n , ac a p a c i t a n c em u l t i p l i e ri su s e dt or e d u c et h es i l i c o na r e a t h ef r e q u e n c y s y n t h e s i z e ri ss i m u l a t e dw i t hc a d e n c es p e c t r e r fu n d e ra2 5 vp o w e rs u p p l y t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h es e t t l i n gt i m eo ft h ep r o p o s e dp l li sl e s st h a n5 0p s , a n dt h eo u t p u tf r e q u e n c yr a n g eo fv c o i sf r o m4 7 3 7 m h zt o5 4 2 4 m h z a f t e ra d i v i d e - b y - 2c i r c u i t ，f o u rp h a s ev qs i g n a l sa l eg e n e r a t e d 丽mt h ef r e q u e n c i e sr a n g e f r o m2 3 8 0 m h zt o2 7 1 0 a 在 k w h i c hc a n 烈基l lt h en e e d so fb l u e t o o t h c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d k e y w o r d s ：c m o s ，f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r , v c o ，f r e q u e n c yd i v i d e r , c a p a c i t a n c e m u l t i p l i e r 。一i i i 一 浙江大学硕士学位论文 插图和附表清单 图2 。l 锁裙环频率合成器的总体结构3 图2 - 2 锁相环系统数学模型4 蚕鉴颓篷褶器电鼹蘸理匿。6 图2 _ 4 两个信号不同时鉴频鉴相器的输出结果6 圈2 - 5 两个信号频攀不网时鉴频鉴相器的输出结果6 图2 - 6 电荷泵电路原理图7 图2 7 “l i 型 锁相环的结构图8 匿基s 鉴频鉴鞠器书熬琵区现象。9 图2 - 9 电荷泵中的电荷菸享现象9 图2 1 0 一阶无源滤波器电路1 0 蚕参差l 一除有源滤波器电路l 图2 1 2 有源比例积分滤波器电路1l 罄2 。1 3 二陵戈源滤波器毫路。圭l 图2 1 4 三缀单端环形振荡器电路1 3 图2 1 5l c 模型和等效电路1 3 露冬 鑫三种荤端蜀振荡器董尊 图2 1 7 三种交叉耦合振荡器电路1 4 图2 1 8 基本2 单元分频器电踺和波形嘲1 5 图2 1 9 脉冲吞咽整数分频器结构 5 图2 - 2 0 + 2 3 双模预分频器结构和波形图1 6 蓬善2 l 小数分舞器电路原理圈一一1 6 图2 2 2 一阶调制器模型1 7 图2 - 2 3 二阶矗调制器模型一i 鬈 巨2 。2 4 采震三阶艺调制器盼p u 电爨结构图，l s 图2 - 2 5 锁相环的实际输出频谱1 9 图2 - 2 6 接收枫孛指位噪声的影响2 0 圈3 1l e e s o n 模型曲线。2 2 图3 2h a j i m i r i 噪声模型电流噪声注入点对输出信号幅度和相位的影响2 3 图毒3v c 0 电路罪理鋈。2 5 圈3 讲电感版图和等效模型2 6 囤3 。5 不嗣圈数电感q 值实际测量和仿真值比较2 7 图3 - 6 ( a ) m o sv a r a c t o r 结构( b ) p nj u n c t i o nv a r a c t o r 结构2 客 图3 7m o sv a r a t o r 的c 曲线2 8 瘸3 8 在誉霹攘裁电垂v z h 下输出频率的变豫蕊缝。2 9 一v l 新江大学硕士学位论文 图3 - 9 在不鞴控镥电压v z h 下相位噪声的变化曲线2 9 图3 ，l o 在不同控制电压v z h 下输出频率变化的边角分析2 9 圈3 1 l 在不同控制电压、，蔬下相健骧声变他的边角分析盛线3 0 图3 1 2 数字可变电容阵列的原理图3 1 图3 1 3 在数字电容阵列控铡下输出频率的变化曲线。3 l 图3 1 4 在数字电窬阵列控制下相位噪声的交佬睦线。3 2 图4 1t s p c 和e t s p c 电路3 3 嚣4 矗t s p c 结构2 分鬏电路输出波形图一3 4 围4 3r a z a v i 提出的1 4 占空比主从触发器电路图一3 s 围4 4r a z a v i 提螅的1 4 占空比主从触发器输出波形图3 5 圉奉5h o n g m ow a n 提出蜉d i v i d e - b y - 2 屯旃结构。3 6 图舢6s c l 电路结构+ 3 6 垦毒1 7 注久镁定额搴分颁器模型。3 7 圈4 罐单端2 分频l u 电路3 7 图4 - 9i l f d 8 分频电路3 8 图4 1 0i l f d 中韵锁存器电路3 8 图4 1 l 输入幅度为1 v ，v b p 变化，i l f d 锁定范围仿真曲线。3 9 圈4 - 1 2v b p - - 印v ，输入幅度变纯，i l f d 锁定藏匿髂真曲线4 0 圈4 1 3 可编程分频器的组成结构4 l 图4 1 41 5 】中提出采用移相技术的双模颧分频器结构。4 2 蓐4 - 1 5 移相对序銎4 2 图4 1 6 采用1 4 占空比的反序移相技术时序图。4 2 圈4 1 7 相位选择控制电路结构图。4 3 图4 1 8 位可编程计数器的总体结构。4 4 图4 1 9 可编程计数器的控制电路4 4 图4 - 2 03 1 3 2 双模颈分频嚣龄输入输出波形雷，f i n 为辕入信号4 5 图4 - 2 1 频率分频器的输出。4 5 图5 - i2 a g h z 频率合成器的整体结构4 6 圈5 2 鉴频整相嚣电路结构| 7 图5 3 鉴频鉴相器仿真结果4 7 凰5 - 4 电荷泵电路结构一4 s 图5 - 5 电荷泵充电波形。4 8 图5 4 5c a p a c i t a n c em u l t i p l i e r 电路结构。4 9 图5 7c a p a c i t a n c em u l t i p l i e r 等效夺信号模受。s o 圈5 。8 理想电容和倍增后电容比较s l 图5 - 9 镁穗环鞯镁是过摆波形圈5 3 圈5 1 0v c o 输出信号波形5 3 图5 1 l 鉴频鉴相器的版闰+ + 5 4 一v n 浙江大学硕士学位论文 图5 1 2 电荷泵版图5 5 图5 1 3 压控振荡器版图一5 6 图5 1 4 频率分频器版图。5 7 。v i i i 。 浙江大学研究生学位论文独创性声明 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及取得的研究成 果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 。 研究成果，也不包含为获得逝望盘堂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谢 意。 学位论文作者签名：易签字日期：矿6 - 6 ,年6 月 。目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 丑滂导师签名像j 。 签字日期：孝 年6 月f 。日 签字日期：的6 孑年么月p 日 浙江大学硕士学位论文 致谢 这篇论文的完成首先要感谢我的导师虞小鹏老师。在两年的硕士学习期间， 他不仅给我提供了很好的学习，工作环境，还给予我耐心和细致的指导，为我 的工作指明了方向。每当研究工作遇到困难时，他总是给我最大的帮助，帮助 我不断地挖掘自身潜力。在撰写论文的各个阶段给我提出了宝贵而有益的建议， 又在论文完成初稿后详细阅读论文，字斟句酌地帮我修改论文。虞老师精益求 精的治学态度、严谨的工作作风、崇高的事业追求和朴实的生活态度，将使我 终身受益，在此谨向虞老师表示衷心的感谢! 在论文的研究工作进行中，也得到了研究所吴晓波老师，史铮老师，何乐 年老师的教诲和帮助，由衷的感谢他们。 感谢刘丹、潘意杰以及其他实验室同学对我的关心和帮助。 感谢室友以及每一位身边的朋友对我的学 - - j 和生活上的帮助，很高兴一路 走来有你们的陪伴。 论文的完成也要归功于一直给予我无微不至关怀的父母和妻儿! 最后向参加论文评审和答辩的专家表示由衷的感谢! 浙江大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 随着无线通信工业的快速发展，p l l ( 锁相环) 在第三代移动通信、无线局 域网和超宽带等无线通信，尤其是高速跳频加密通信系统中得到了广泛的应用。 快速发展的无线通信市场急需要更高集成度、低功耗、小面积的射频收发器， 它决定了整个无线系统的费用、尺寸以及电池寿命等条件。而在收发器中的关 键部件就是频率合成器，它被用来产生一个本振信号，实现收发器的上变频或 下交频等功能。因为其工作于整个系统中的最高频率，对系统整体性能产生决 定性的影响。 目前的频率合成器有直接数字式频率合成器( d d s ) 和锁相环型( p l l ) 两 种不同的实现方式。由于d d s 系统中数字部件的时钟频率必须至少为输出信号 频率的2 倍，对于射频器件而言，通常都需要几g h z 的工作频率，那么d d s 系统 中也需要至少几g h z 时钟频率的r fa d c 以及较高的功耗，因此用d d s 实现频 率合成器具有一定的难度。 随着集成电路设计技术的发展和制造工艺的不断提高，锁相环己经作为时 钟合成单元广泛集成到微处理器内部，性能也得到了很大提高。目前p l l 中的 主流还是用c m o s 工艺实现的。低廉的成本，使得它获得了很好的商用。虽然 c m o s 工艺本身的晶体管的截止频率不高，但是由于研究的深入以及新结构的提 出，深亚微米工艺特征尺寸的不断减小，使得c m o sp l l 的总体性能在成熟的基 础上继续得以提高。由于c m o s 工艺电路具有低制造成本高集成度，低功耗，成 品率高，器件尺寸易于按比例缩小的优点，现在成熟的商用c m o s 工艺的特征尺 寸已经下降到0 0 9 “m ，特征频率高达几十g h z ，而且由于绝大大部分的数字集 成电路都是由c m o s 工艺制造的，所以为了和数字电路制作在同一块芯片上以实 现片上系统( s o c ) ，模拟电路也要用同一工艺来实现低成本和高集成度，而且 随着c m o s 工艺向深亚微米的挺进，它也可以获得可以与b i p o l a r 工艺相比的高 速度。因此采用c m o s 工艺是未来的低功耗低成本大规模数模混合集成芯片的发 展趋势。但是有时为了某些特殊的性能，也选择b i p o l a r 和b i c m o s 工艺，利用 b i p o l a r 和b i c m o s 工艺制造的r f i c 可以具有电路结构简单，性能优良的特点， 但是同时具有较高的生产制造成本。 1 2 锁相环的发展和课题目标 第一款作为i c 出现的模拟线性锁相环l p l l 始于1 9 6 5 年，1 9 7 0 年和l p l l 相似的数字锁相环d p l l 也出现了，它事实上是一个模拟数字混合系统，但性 能上相对于l p l l 已得到了极大的改善。其后，全数字锁相a d p l l 、基于微处 理器和d s p 硬件平台的软件锁相环s p l l 也相继问世，使得锁相环在现代电子 通信领域的地位越来越重要。目前锁相环应用主要有时钟产生器c l o c k 浙江大学硕士学位论文 g e n e r a t o r 、时钟数据恢复系统c l o c kd a t ar e c o v e r y ( c d r ) s y s t e m 、频率合成器 f r e q u e n c ys y n t h e s i s z e r 等。其中在无线局域网w l a n 、手机及全球定位系统g p s 中应用最多的是频率合成器，这些系统根据其不同的标准，工作于不同的频率范 围，往往同时要求高的稳定性能和较低的功耗性能，表1 1 列举了当前无线通信 中使用的较多的几个标准要求，如b l u e t o o t h 蓝牙标准在手机通信中就被广泛应 用，它的工作频率在2 4 g h z 到2 4 7 9 g h z 之间，最大据传输速率为1 m b p s ，同 时要求以1 m h z 频率为间隔，分为7 9 个数据传输通道。本课题的目的就是利 用c m o s 工艺设计一个符合蓝牙标准的锁相环频率合成器。 表1 - 1 各类通信标准 标准频率范围通道频率总 最大传输 ( g h z ) 数间隔带宽 速率 ( 个)( m h z )( m b p s ) i e e e5 1 5 0 5 3 5 0 1 22 03 0 05 4 8 0 2 1 l a5 7 2 5 5 8 2 5 i e e e2 4 2 4 7 91 1 57 91 l 8 0 2 1 1 b i e e e2 4 2 4 7 9n | 入 57 95 4 8 0 2 1 l g b l u e t o o t h2 4 2 4 7 97 917 9 1 h i p e r l a n5 1 5 5 3 51 92 04 5 55 4 t y p e i i 5 4 7 0 5 7 2 5 1 3 论文组织 本论文总共分为五章，第一章介绍了课题的研究背景和锁相环的发展状况 以及本课题的预期目标。 第二章深入研究了锁相环的基本原理、组成结构以及工作机制，对各模块 的性能参数和结构进行了分析。 第三章提出了不同压控振荡器的电路模型和结构，研究和分析了压控振荡 器的指标参数和噪声性能。 第四章详细分析了高频频率分频器的设计与实现。重点分析了改进型移相 分频器的电路结构及优点。 第五章介绍了锁相环频率合成器的实现，给出了电路的整体结构，以及整 体性能的仿真验证结果。 一2 一 浙江大学硕士学位论文 第2 章锁相环系统模型及原理 2 1 锁相环基本原理及性能参数 2 1 1 镀相环基本原理 锁棚环是一个负反馈环路，顾名思义，它的基本功能是锁定输出信号的相 位孝输入信号榴位保持一致。它有以下三个基本模块：鉴相器、强路滤波器孝 压控振荡器，以及一个根据情况可选的分频比为n 的频率分频器。其框图如图 2 - 1 所示。 输 图2 - 1 锁相环频率合成器的总体结构 当输入信号和分频反馈回来昀输出信号的频率和相位保持同步是我们称锁 相环处于锁定状态l o c k e d ，则 l 雄= 埘t 嘻 ( 2 1 ) 当n = i 时，分频器可选择不要，输入和输出保持一致。n i 时，作为频率 合成器f r e q u e n c ys y n t h e s i s z e r 应用。圈对根据n 是否可以设建小数，可分为 整数型和小数型频率合成器。 鉴频鉴相器p f d ( p h a s ef r e q u e n c yd e t e c t o r ) 的作用就是比较输入和输 出的相位，产生一个和输入输出相位差见近似成比例的电压信号圪，即 圪= 磊d 毋产k e d ( 一只毋) ( 2 。2 ) 其中是鉴相增益，单位是r a d s 。 滤波器l o o pf i l t e r 的作用是将鉴相器输出电压中的高频交流谐波滤出， 因此它必须是一个低通滤波器，得到一个直流输出电压控制压控振荡器。 滤波器可以选择一阶或高阶，无源或有源低通滤波器，设其传递函数为f ( s ) 。 压控振荡器v c o 昀律建就是摄据控割电压输出需要酶频率信号，囊控制电 压为0 时，v c o 在其本身中心频率上振荡。其输出频率表达式为 ( ) = 鸭+ 墨鲐 ( 2 ，2 ) 一3 一 浙眭大学硕士学位论文 其中墨，c 0 称为压控振荡器增益，单位是m 矗s 。1 , - 1 。 因此压控振荡器输出摆位荛 ( ，) = ( t ) d t ( 2 3 ) 频率分频器r f r e q u e n c yd i v i d e r 的作用是将压控振荡器的输出频率和相位除 以n ，因此可看成是一个增益模块 = n ( 2 4 ) 根据上面各个模块的数学模型，利用拉普拉斯s 域变换方法，我们可以推 窭： 锁相环环路相位开环传递函数 踯) = 糕。燮掣 ( 2 5 ) 锁相环环路相位闭环传递函数 脚) 2 筹b 叠k e d 五k v c o f 匝( s ) ( 2 6 ) 剩矮同样酶方法可推潞相位误差传递蘧数秀 盟： 兰 ( 2 7 ) ) s k p d k v c o f ( s ) 可以简单看出环路传递函数具有低通的特性，而相位误差传递函数具有高 通特性。锁橱环系统数学模型如霉2 - 2 所示。 9 呵 p h a s ed e t e c t o r l o o pf i l t e r l c o f r e q u e n c y d i v i d e r 图2 - 2 镁棚环系统数学模型 一4 一 浙江大学硕士学位论文 2 1 2 锁相环的动态性能参数 h o l dr a n g e a w h ：若锁相回路先位于锁定状态，使锁相回路进入非锁定状 态的频率范围。它是p l l 工作保持稳定的静态频率范围。 l o c kr a n g ea w l ：若锁相回路先位于非锁定状态，p l l 参考频率和输出频 率低于l o c kr a n g e ，锁相回路可以在没有振荡的情况下进入锁定的频率范围。 通常p l l 的工作频率范围由它所限。 l o c kt i m e 7 l ：在锁定过程锁定需要的时间值。 p u l l - i nr a n g ea w e ：若锁相回路先位于非锁定状态，则当参考频率和输 出频率的频率偏移低于p u l l - i nr a n g e ，锁相回路将可经由数次振荡现象后趋 于锁定，但较为缓慢。 p u l l - i nt i m e 耳：在p u l l - i n 过程中需要的时间。 p u l l o u tr a n g e w m ：若一开始锁相回路工作于中心频率心且位于锁定 的状态，则当参考频率和输出频率的频率偏移超过p u l l - o u tr a n g e 时，锁相回 路将开始振荡。 对于不同类型的鉴相器和不同的滤波器它们的这些性能参数是不一样的， 具体公式及推导可见 1 。设计一个好的锁相环不仅要考虑它的性能参数，同时 对关键的功耗p o w e r 、噪声n o i s e 、面积a r e a 也要结合起来综合考虑。以下是 对锁相环的每一个功能部件进行简单的介绍。 2 2 锁相环基本模块分析 2 2 1 鉴相器 鉴相器的作用就是比较输入和输出的相位误差，一般可以有四种类型的鉴 相器：模拟四象限乘法器、数字异或门e x o rg a t e 、边缘出发j k 触发器