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1.8GHz CMOS整数频率合成器设计

作　者: 周云芳
导　师: 程知群
学　校: 杭州电子科技大学
专　业: 电路与系统
关键词: 整数锁相环频率合成器相位噪声电感电容压控振荡器电荷泵可编程分频器
分类号: TN74
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

近几年无线通信市场的快速发展推动了低成本、低功耗、小面积无线收发机的研究与开发。同时随着CMOS、Bi-CMOS工艺技术的进步,使得无线接收机系统中的大部分单元电路,如低噪声放大器(LNA)、混频器(Mixer)、滤波器(Loop Filter)以及频率合成器(Frequency Synthesizer)都可以实现单片化。基于锁相环的频率合成器是无线收发器中的关键部件,因为它为射频系统提供稳定的、可编程的、低噪声的本地振荡信号(LO)信号。频率合成器工作于无线收发系统的高频部分,消耗了收发器中的大部分功耗,并决定了它的性能。本文以“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,探讨了锁相环频率合成器环路参数及其各模块的设计方法,并采用SMIC 0.18um CMOS RF工艺设计了一个三阶锁相环整数频率合成器。首先,在系统级设计方面,通过开环和闭环s域模型分析得到锁相环频率合成器系统参数设计流程,给出满足系统稳定性的环路参数计算方法,并建立Simulink行为级仿真模型加以验证。其次,简单介绍了压控振荡器的基本原理和分类,对窄带和宽带电感电容压控振荡器的具体电路实现方式进行了系统总结。因为电感电容压控振荡器(LC VCO)的相位噪声特性限制了通信系统的质量,所以它一直是学术界研究的热点。本文首先对两种常用的相位噪声模型:线性时不变模型及其Lesson改进模型和线性相位时变模型进行了系统的分析,找出了LC VCO相位噪声特性的影响因素,为低相位噪声压控振荡器的设计奠定了理论基础。接着,详细分析了LC VCO相位噪声形成的物理机理,通过分析交叉耦合负阻对、变容管和尾电流源在LC VCO中的作用,总结了四种实用的相位噪声优化方法:尾电流源管尺寸优化、电容滤波、开关电容阵列粗调和共模点电感电容滤波技术。最后,根据前面讨论的结果,采用SMIC 0.18um CMOS RF工艺实现了一个参考频率为10MHz,中心频率为1.8GHz的整数频率合成器。采用三种相位噪声优化方法设计了调谐范围覆盖1.6GHz~2.1GHz的LC VCO,Cadence SpectreRF仿真表明相位噪声有大约6dB的改善,输出中心频率为1.8GHz时,相位噪声为-104dBc/Hz@100kHz,-127dBc/Hz@1MHz。系统分析了PFD和电荷泵模块的非理想因素对频率合成器参考杂散的影响,并设计了无鉴相死区的PFD电路和采用轨对轨运放、Replica Bias技术实现的高电流匹配度的电荷泵电路。通过合理设计前端双模预分频电路、可编程P计数器和S计数器可实现任意分频比。整个频率合成器电路在10us内就可以完成锁定,功耗40mW,版图面积为1.5mm~2*2 mm~2。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章绪论  10-15
  1.1 课题研究背景  10-11
  1.2 国内外现状及研究意义  11-14
  1.3 论文的主要内容和组织  14-15
第2章锁相环频率合成器基础  15-29
  2.1 压控振荡器  15
  2.2 鉴频鉴相器（PFD）  15-17
  2.3 电荷泵（CP）  17-18
  2.4 分频电路（Divider）  18-19
  2.5 环路滤波器（LPF）  19-20
  2.6 锁相环的线性模型  20-25
  2.7 锁相环的噪声分析  25-27
  2.8 频率合成器的行为级仿真  27-29
第3章电感电容压控振荡器原理  29-38
  3.1 窄带电感电容压控振荡器设计  29-34
    3.1.1 负阻振荡器原理  29-30
    3.1.2 片上电感  30-31
    3.1.3 可变电容  31-33
    3.1.4 交叉耦合对设计  33-34
  3.2 宽带电感电容压控振荡器设计  34-35
  3.3 相位噪声（Phase noise）  35-38
    3.3.1 相位噪声的定义  36-37
    3.3.2 相位噪声对通信系统的影响  37-38
第4章 LCVCO 相位噪声的模型及其优化方法  38-51
  4.1 相位噪声模型  38-45
    4.1.1 线性非时变模型  38-40
    4.1.2 Leeson 相位噪声模型  40-41
    4.1.3 线性相位时变模型  41-45
  4.2 LCVCO 的非线性  45-48
    4.2.1 差分对的开关效应  46-47
    4.2.2 尾电流源的作用  47-48
  4.3 LCVCO 相位噪声的优化方法  48-51
    4.3.1 尾电流源尺寸优化  48
    4.3.2 大电容滤波  48-49
    4.3.3 相位噪声滤波技术  49
    4.3.4 开关电容阵列减小VCO 调谐增益  49-51
第5章电路设计  51-72
  5.1 1.8GHz CMOS 整数频率合成器的整体实现  51-52
  5.2 1.8GHz 低相位噪声LCVCO 设计  52-55
  5.3 可编程分频器设计  55-59
    5.3.1 16/17 双模预分频电路设计  55-57
    5.3.2 双端转单端电路  57-58
    5.3.3 可编程P Counter 和S Counter 设计  58
    5.3.4 可编程分频器仿真结果  58-59
  5.4 PFD 电路设计  59-63
  5.5 电荷泵电路设计  63-70
    5.5.1 电荷泵中非理想因素分析  63-66
    5.5.2 高电流匹配性电荷泵设计  66-70
  5.6 整体电路仿真  70-72
第6章版图设计  72-77
  6.1 数模混合电路版图设计要点  72-73
  6.2 本次电路版图设计  73-77
    6.2.1 PFD 版图设计  74
    6.2.2 CP 版图设计  74-75
    6.2.3 VCO 版图设计  75
    6.2.4 DMP 版图设计  75-76
    6.2.5 可编程计数器P counter 和S counter 的版图设计  76-77
第7章总结与展望  77-79
  7.1 总结  77
  7.2 展望  77-79
致谢  79-80
参考文献  80-85
附录  85-86
详细摘要  86-90

1.8GHz CMOS整数频率合成器设计

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