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应用于UWB系统的低功耗频率综合器设计与研究

作　者: 肖满霞
导　师: 李宁
学　校: 复旦大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 频率综合器 锁相环 压控振荡器 相位噪声 电荷泵 分频器
分类号: TN74
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 157次
引　用: 1次
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内容摘要


CMOS频率综合器和锁相环(PLL)在现代无线通讯系统中的应用越来越广泛。便携式电子通讯系统要求锁相环低相位噪声、低功耗、低成本。为了减小功耗和面积,就要牺牲掉一部分的噪声性能,而好的噪声性能往往功耗较大成本较高。所以一般情况下锁相环在设计的过程中需要在这三者之间取折衷。本文以低功耗、小面积的频率综合器的设计和实现为目标,以“自上而下”(Top-Down)的设计流程为主线,分别从系统级和电路级设计入手,研究了频率综合器环路参数设计和噪声估计方法,并用SMIC0.13 um CMOS工艺设计了一个低压下工作的较高输出频率的频率综合器。在系统级设计方面,通过开环三阶s域模型的分析得到系统参数设计流程,并计算出满足系统稳定性的环路参数。为了实现小面积低功耗,电荷泵电流选取较小值,这样增加滤波器电阻值并减小电容从而减小面积。由于本文采用的是环形振荡器,噪声性能与LC谐振相比稍差,而系统对VCO的噪声传递函数是高通特性,所以本文在设计时选取了较大的带宽以抑制VCO噪声对系统的贡献。在VCO设计方面,分别从工作原理、常用的电路结构、噪声模型作详细的分析。根据噪声分析模型指导实际电路设计中的噪声优化。在电路设计方面,设计了一个工作在低电压下的电荷泵电路,并对其电流匹配进行了仿真验证。对于压控振荡器采用全差分对称负载延时单元,与单端环形振荡器相比,本文采用的结构对电源和衬底的噪声抑制能力较强,在输出多相位的同时能够得到更高频率的输出信号。对于环路滤波器中的电容采用连接电源的PMOS管实现,因为相比较地电源噪声干扰要小些。最后,采用电源电压为1.2V、SMIC 0.13um工艺实现了一个输出频率为528MHz和132MHz的频率综合器来进行验证,芯片中核心部分的面积为0.02mm,测试性能:输出为528MHz时,功耗仅为2.4mW,实现了低功耗的要求,相位噪声为-104dB/Hz@1MHz以及积分相位误差为15ps。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-8
第1章 引言  8-11
  1.1 研究背景  8-9
  1.2 论文研究的主要内容和特点  9-10
  1.3 论文的组织结构  10-11
第2章 电荷泵锁相环  11-35
  2.1 锁相环的工作原理  11-13
  2.2 电荷泵锁相环的结构  13-14
  2.3 模块介绍  14-19
    2.3.1 鉴相器  14-16
    2.3.2 电荷泵  16-18
    2.3.3 滤波器  18-19
  2.4 三阶电荷泵锁相环的数学模型  19-23
  2.5 系统稳定性分析  23-27
    2.5.2 根轨迹法分析稳定性  23-25
    2.5.3 波特图法分析稳定性  25-27
  2.6 环路参数设计  27-29
  2.7 噪声分析  29-35
    2.7.1 相位噪声与抖动  29-32
    2.7.2 环路噪声模型及传递函数  32-35
第3章 环形压控振荡器的研究设计  35-65
  3.1 振荡器的起振和稳定  35-36
  3.2 环形振荡器  36-38
  3.3 压控环形振荡器延迟级结构  38-49
    3.3.1 压控环形振荡器  39
    3.3.2 单端反相器延迟单元  39-40
    3.3.3 差分延迟单元  40-45
      3.3.3.1 源极耦合延迟单元  41-43
      3.3.3.2 交叉耦合延迟单元  43-45
    3.3.4 双输入延迟单元  45-49
  3.4 压控振荡器的相位噪声分析模型  49-65
    3.4.1 Lesson相位噪声模型  49-51
    3.4.2 Razavi相位噪声模型  51-53
    3.4.3 Hajimiri相位噪声模型  53-60
    3.4.4 Harjani相位噪声模型  60-65
第4章 应用于UWB的频率综合器设计  65-81
  4.1 性能指标  65-66
  4.2 系统设计  66-67
  4.3 电路设计  67-77
    4.3.1 环路结构  67-68
    4.3.2 模块设计  68-77
      4.3.2.1 鉴频鉴相器  68-70
      4.3.2.2 电荷泵  70-73
      4.3.2.3 压控振荡器  73-75
      4.3.2.4 双转单电路  75-77
      4.3.2.5 分频器  77
  4.4 环路整体噪声估计  77-78
  4.5 版图和后仿真  78-81
第5章 流片和测试  81-88
  5.1 流片  81-82
  5.2 PCB的设计  82
  5.3 测试  82-86
    5.3.1 功能测试  83-84
    5.3.2 抖动测试  84-85
    5.3.3 相位噪声测试  85-86
  5.4 测试总结  86-88
第6章 总结与展望  88-90
参考文献  90-93
致谢  93-94

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 基本电子电路 > 频率合成技术、频率合成器
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