低功耗頻率綜合器及其校準技術的研究與實現(xiàn).pdf

1、頻率綜合器(FS，frequency synthesizer)是集成電路中最關鍵的電路模塊之一，被廣泛的用于產(chǎn)生時鐘信號驅動數(shù)字電路/系統(tǒng);或者用于產(chǎn)生有線/無線通信系統(tǒng)中的本振信號，實現(xiàn)收發(fā)機傳輸信號的上/下變頻。頻率綜合器的相位噪聲、頻率精度、功耗等性能指標直接影響著整個系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，因此研究和設計高性能的頻率綜合器是十分有必要的。本文分別對低功耗恒定環(huán)路帶寬寬帶鎖相環(huán)、諧波注入鎖定振蕩器和低功耗低復雜度的鎖相環(huán)兩點調制器進行研究

2、，通過理論分析并進行了測試驗證。本文創(chuàng)新點有以下幾點:(1)提出一種基于高速頻率檢測器的全數(shù)字自動校準電路和一種低功耗寬帶環(huán)形振蕩器，從而實現(xiàn)了一款低功耗恒定環(huán)路帶寬寬帶鎖相環(huán)頻率綜合器;(2)提出一種開環(huán)溫度補償技術，實時校準振蕩器的工作頻率，從而保證振蕩器工作頻率與溫度基本無關，并基于該技術實現(xiàn)了一款低功耗諧波注入鎖定振蕩器;(3)提出將電容減敏技術和分布式偏置變?nèi)莨芙Y構結合的方案，降低兩點調制器的頻率調制誤差。環(huán)路帶寬作為鎖相環(huán)(

3、PLL，phase-locked loop)頻率綜合器的一個重要參數(shù)，直接影響著鎖相環(huán)的噪聲性能、鎖定時間和穩(wěn)定性。在寬帶頻率調諧的鎖相環(huán)中，由于工作頻率、工藝、電源電壓和溫度(PVT,process voltage and temperature)等因素的變化，導致環(huán)路帶寬發(fā)生巨大的變化。因此保證環(huán)路帶寬恒定，是寬帶鎖相環(huán)頻率綜合器設計的難點。本文一種提出基于高速頻率檢測器的全數(shù)字自動校準電路，通過在片快速檢測VCO的工作頻率和VCO

4、調諧增益，計算出用于保證環(huán)路帶寬恒定的電荷泵增益，實現(xiàn)鎖相環(huán)環(huán)路帶寬校準;該校準方式的精度不受PVT變化的影響，且校準時間短。
　　VCO作為鎖相環(huán)頻率綜合器中最為關鍵的模塊，工作在最高頻率，其噪聲性能對鎖相環(huán)的帶外噪聲起著決定性作用，消耗的功耗也是鎖相環(huán)眾多模塊中最大的。本文提出一種低功耗寬帶壓控環(huán)形振蕩器(RVCO，ring voltage-controlled oscillator)結構，通過控制流過振蕩器的電流實現(xiàn)頻率粗調

5、，采用變?nèi)莨軐崿F(xiàn)頻率細調;通過兩種調諧技術的結合，確保壓控環(huán)形振蕩器具有較大的頻率范圍和較小的電壓-頻率調諧增益。該RVCO結構通過引入變?nèi)莨茏鳛轭l率調諧器件，可以避免傳統(tǒng)RVCO中的電壓-電流轉換器，簡化了振蕩器和環(huán)路濾波器之間的接口，降低RVCO功耗。
　　基于提出的全數(shù)字自動校準電路和低功耗寬帶RVCO，實現(xiàn)了一款具有恒定環(huán)路帶寬的1.2-3.6GHz低功耗低噪聲鎖相環(huán)頻率綜合器。該鎖相環(huán)頻率綜合器采用40nm CMOS工藝

6、實現(xiàn)，面積為0.045mm2、功耗為3mW。從10KHz到40MHz對輸出相位噪聲積分的時鐘抖動為2.4ps，峰-峰值時鐘抖動為15ps。在整個工作頻帶內(nèi)，鎖相環(huán)環(huán)路帶寬基本不變?；趩蜗辔桓咚兕l率檢測器的全數(shù)字自動校準電路的校準時間為11.2μs，基于多相位高速頻率檢測器的全數(shù)字自動校準電路的校準時間為1.9μs，驗證了全數(shù)字自動校準電路能夠快速、準確地實現(xiàn)環(huán)路帶寬校準。提出的RVCO工作在1.2-3.6GHz頻率范圍內(nèi)消耗的功耗為0

7、.9-1.3mW;RVCO工作在3.6GHz時，頻偏1MHz處的相位噪聲為-87dBc/Hz，頻偏10MHz處的相位噪聲為-111.6dBc/Hz。
　　隨著高性能、高速率通信系統(tǒng)的發(fā)展，要求頻率綜合器不僅要具有較低的功耗，同時還要有超低的噪聲。諧波注入鎖定振蕩器(SILO，subharmonic injection-locked oscillator)因其結構簡單、噪聲性能優(yōu)越受到國內(nèi)外學者的關注。然而，由于振蕩器的自由振蕩頻率

8、容易受到溫度變化的影響，導致SILO的相位噪聲、參考雜散等性能惡化，甚至失鎖。本文提出一種開環(huán)溫度補償技術，實時校準振蕩器的工作頻率，從而保證其工作頻率與溫度基本無關?；谔岢龅拈_環(huán)溫度補償技術，在180nm CMOS工藝上設計了一款2.1GHz的低功耗低噪聲諧波注入鎖定數(shù)控電感電容振蕩器，芯片面積為0.37mm2、功耗為2.5mW。采用100MHz的參考時鐘注入鎖定到2.1GHz時，輸出的相位噪聲在頻偏100KHz處的相位噪聲為-11

9、6.8dBc/Hz、在頻偏1MHz處的相位噪聲為-122dBc/Hz、在頻偏10MHz處的相位噪聲為-124dBc/Hz，從1KHz到40MHz的積分時鐘抖動為0.364ps。通過仿真驗證了該開環(huán)溫度補償技術的有效性，溫度在-20℃-85℃范圍內(nèi)變化時，提出的開環(huán)溫度補償技術可以將該LC振蕩器工作頻率變化從13MHz減小到1MHz。相對于閉環(huán)校準技術，開環(huán)溫度補償技術以較小的代價保證注入鎖定振蕩器的性能不受溫度的影響。
　　在短距

10、離無線通信(如Zigbee、Bluetooth Low Energy)中，通常使用頻率調制(FM，F(xiàn)requency Modulation)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。這類設備通常需要低功耗設計以獲取更長的使用時間和待機時間。此外，設備的成本高低也是產(chǎn)品成功與否的關鍵?；阪i相環(huán)頻率綜合器的兩點調制器省去傳統(tǒng)調制器中的上變頻混頻器、驅動電路等模塊，功耗和復雜度都較低、占用面積較小。而兩點調制器的低通調制路徑和高通調制路徑間的增益失配限制了其頻率調制的

11、性能。因此，兩點調制器通常采用額外的閉環(huán)或開環(huán)校準電路實現(xiàn)增益失配校準，但這些校準方式以較多的功耗、面積或鎖定時間為代價。本文提出將電容減敏技術和分布式偏置電容結構結合的方案，降低兩點調制器的頻率調制誤差。其中，通過電容減敏技術可以增大頻率調諧變?nèi)莨艿某叽?，減小工藝對高通調制路徑增益的影響;采用分布式偏置變?nèi)莨?，改善頻率調諧曲線的線性度。與其他的校準方式相比，該方案不需要額外的校準電路，可以實現(xiàn)低功耗功耗低、低復雜度設計，符合短距離無線