通信系统中小型化频率合成器设计

文章针对通信接收机小型化的要求提出了一种接收机频率源的设计思路,采用TSMC 0.18μm 1P6M混合信号工艺设计锁相环(phase locked loop,PLL)电路结构,设计了一种具有快速锁定时间、较宽频率调谐范围、低相位噪声的电荷泵锁相环(charge pump phase locked loop,CPPLL)。使用Cadence Spectre对电路进行仿真,电路整体具有在输入参考频率23～600 MHz之间产生1.92～2.62 GHz的时钟信号功能。在中心频率2.3 GHz、偏移载波频率10 MHz的情况下,敏感单元环形压控振荡器的相位噪声为-112.9 dBc/Hz。进行版图设计后,对电路进行验证,设计出小型化频率合成器芯片。     

一种线性化轨对轨调节压控振荡器设计

为了解决控制电压范围小、调谐增益过大导致压控振荡器（voltage controlled oscillator, VCO）对控制线噪声抗干扰能力弱的问题，设计了一种高度线性化轨对轨频率调节的压控振荡器。采用SMIC 0.18μm CMOS工艺，设计了电压转电流电路实现控制电压与电流饥渴型振荡器尾电流的轨到轨线性转化，进而实现振荡频率的轨到轨线性调节；并且利用缓冲器优化振荡波形以适应锁相环系统应用。Cadence Spectre仿真结果表明，振荡器在1.8 V的轨对轨控制电压范围内都具有很好的线性，调谐增益为183 MHz/V，频率范围为0.89～1.22 GHz，中心频率1.06 GHz，功耗仅有227.8μW。本文设计适用于锁相环的集成应用，可为压控振荡器的设计提供支持。     

2.6GHz高速CMOS环形振荡器设计

文章提出了一种偶数级环形振荡器的设计方案,中心频率为2.3GHz,利用起振电路使其能够快速起振,当环形振荡器的控制电压为1.2~2.0V时,其线性调谐范围为1.9~2.6GHz;电路设计采用TSMC0.18μm 1P6M混合信号生产工艺;利用Cadence Spectre RF进行仿真。结果显示,在中心频率为2.3GHz、偏移载波频率为10MHz的情况下,环形振荡器的相位噪声为-112.9dBc/Hz。该电路可用于高速锁相环的设计中。     

一种高速低相位噪声锁相环的设计

设计了一种1．8V、SMIC0．18μm工艺的低噪声高速锁相环电路．通过采用环行压控振荡器,节省了芯片面积和成本．通过采用差分对输入形式的延时单元,很好地抑制了电源噪声．与传统的简单差分对反相器延时单元相比,该结构通过采用钳位管和正反馈管,实现了输出节点电位的快速转变,整个电路芯片测试结果表明：在输入参考频率为20MHz、电荷泵电流为40μA、带宽为100kHz时,该锁相环可稳定输出频率为7971MHz—1．272GHz的时钟信号,且在中心频率500kHz频编处相位噪声可减小至-94．3dBc／Hz。     

高速SerDes电路中电荷泵锁相环的设计

面向高速串行接口应用,设计一款低噪声、快速锁定的高性能锁相环电路,作为5 Gbit· s-1数据率的SerDes发射芯片的时钟源。该设计通过锁存RESET方式增加延迟时间,以减小鉴频鉴相器的死区效应,降低锁相环整体电路的杂散;其压控振荡器采用4 bit二进制开关电容的方法,将输出频率划分为16个子频带,以获得较大的输出频率范围,同时又不增加压控振荡器的增益;在SMIC 55 nm工艺下完成锁相环电路版图设计,核心芯片面积为054 mm2。后仿真结果表明:输出频率覆盖46~56 GHz,1 MHz频偏处的相位噪声在-110 dBc·Hz-1 附近。测试结果显示,RMS 抖动和峰峰值抖动分别为287 ps和134 ps,整体电路功耗为37 mW。     

适用于4通道100 Gbps SerDes的两级架构正交12.5 GHz低功耗低抖动时钟发生器

为了缓解多通道SerDes中高频时钟信号在长距离传输中引入的噪声过大和功耗过高的问题,设计了一种应用于多通道的低功耗低抖动两级锁相环结构;同时为了进一步降低噪声性能,在第2级锁相环中设计了一种采样鉴相器。该设计将第1级LC振荡器锁相环产生的低频时钟信号（3.125 GHz）传输到各通道收发机后,将该信号作为第2级参考信号,再采用小面积的环形振荡器锁相环产生正交的高频时钟 (12.5 GHz),这种结构降低了高频时钟在片上长距离传输的距离,提高了收发机的时钟质量;此外该技术避免了使用高频缓冲器,降低了功耗。其中第2级锁相环通过无分频鉴相技术提高了第2级环振锁相环的噪声性能。该时钟发生器电路整体功耗为100 mW,第1级锁相环相位噪声拟合后为-115 dBc/Hz,第2级环形振荡器电路在1 MHz处相位噪声为-79 dBc/Hz,锁相环电路产生的时钟信号整体抖动为2.7 ps。正交时钟偏差在300 fs以内。相比传统时钟发生器,该设计性能有较大提高,功耗有明显降低,适合应用于100 Gbps SerDes中。     

一个1.2 V用于超宽带收发器的低抖动锁相环

设计了一款应用于超宽带无线收发器中的低抖动、低功耗、多相位输出、输出频率为528MHz和132 MHz的锁相环,包括了高频特性好的鉴频鉴相器、低电压抗抖动的电荷泵、经典的低电压对称负载差分延迟单元以及duty-buffer的双转单电路等.设计采用SMIC 0.13μm CMOS工艺,电源电压1.2 V.对电路进行了电路级仿真和系统级稳定性分析,并完成了版图设计和后仿.根据后仿结果,在TT@75℃、振荡频率为528 MHz情况下,周期抖动的p2p值为1 ps,功耗仅为4 mW.     

基于极性发射机的两点调制锁相环的设计

采用0.11μm 1P6M CMOS工艺设计与研究了一款适用于蓝牙极性调制发射机的两点调制锁相环.为了校正锁相环中两个相位调制路径的环路增益,降低采用该锁相环的发射机的频移键控误差,提出了一种新型的增益校正方法,并基于该方法设计了低相位噪声、低锁定时间的两点调制锁相环电路.芯片的测试结果表明,当压控振荡器震荡在4.8 GHz时,该锁相环在偏离4.8 GHz 10 kHz、1 MHz和3 MHz时的相位噪声依次为-83、-108和-114 dBc/Hz,采用该锁相环的极性调制发射机发射0 dBm信号时频移键控误差为2.97%,该锁相环的芯片面积为0.32 mm~2,整体性能满足蓝牙射频芯片测试规范要求.     

适用于多边带频分复用超宽带系统的CMOS频率综合器

采用整数分频锁相环、单边带混频器、多相位滤波器、频率选择器设计了适用于多边带频分复用超宽带系统的频率综合器.该频率综合器可以产生3.432,3.96,4.488 GHz 3个频率信号,仿真结果表明该电路提供大于35.29 dB,边带杂散抑制性能,频率信号之间的切换时间小于1.35 ns,相位噪声积分为2.62°,满足了超宽带通信系统收发机对于本地时钟性能的要求.频率综合器采用0.18μm RF CMOS工艺设计,在1.8 V电源电压下,总功耗为66.6 mW.     

一种X波段宽带快速跳频频率源

针对快速跳频和低杂散的要求,提出一体化频率源设计方法,综合考虑了高速鉴频鉴相、大环路带宽设计和系统级直接数字合成(DDS)频率规划.利用这种设计方法,采用DDS激励快速锁相环(FL-PLL)结构,成功设计并实现了一种宽带快速跳频X波段频率源.实测结果表明,其输出频带为10.5～11.5 GHz;在极端1 GHz频率跳变条件下,正向跳频时间为0.42μs,负向跳频时间为0.30μs;无失真动态范围为—61.3 dBc;相位噪声为—100dBc/Hz@1kHz;最小跳频间隔为12 Hz.     

一种改进的双控制通路锁相环

提出一种改进的双控制通路锁相环结构。改进锁相环的两个控制通路有不同的压控振荡器增益。其中, 粗调节通路的压控振荡器增益较大, 用来调节锁相环的输 出频率范围; 细调节通路的压控振荡器增益较小, 用来决定环路带宽, 同时优化锁相环的抖动特性。电路芯片采用SMIC 0. 18 μm CMOS Logic 工艺加工。后仿真结果表明该锁相环的输出频率范围为600 MHz到1. 6GHz, 并有良好的抖动特性。     

250 MHz 时钟产生电路中低抖动锁相环的仿真与设计

提出了一种基于行为级的锁相环(PLL)抖动仿真方法.分析了压控振荡器的相位噪声、电源和地噪声以及控制线纹波对输出抖动的影响.采用全摆幅的差分环路振荡器、全反馈的缓冲器以及将环路滤波器的交流地连接到电源端等措施,减小了PLL的输出抖动.给出了一个采用1st silicon 0.25μm标准CMOS工艺设计的250 MHz时钟产生电路中低抖动锁相环的实例.在开关电源和电池供电2种情况下,10分频输出(25 MHz)的绝对抖动峰峰值分别为358 ps和250 ps.测试结果表明该行为级仿真方法可以较好地对PLL的输出抖动做出评估.     

一种抗噪声折叠宽范围低杂散小数分频锁相环

由于电荷泵的电流失配,小数分频锁相环反馈路径上经整形的量化噪声会被折叠回低频偏处,恶化带内相位噪声的性能。文章提出一种自适应的抗噪声折叠技术,根据工作频率产生合适脉宽的电流以线性化环路,在全频带内避免噪声折叠的同时不恶化参考杂散性能;设计基于TSMC 130 nm CMOS工艺,锁相环覆盖的输出频率范围为0.6～2.7 GHz。仿真结果显示：当输出频率为2.0 GHz时,环路功耗为16 mW,积分抖动为1.98 ps,品质因数为-222 dB;在电荷泵中引入8%的失配后,提出的技术改善带内相位噪声达到7 dB。     

一个1.5V低相位噪声的高频率LC压控振荡器的设计

介绍了一种适用于DCC-1800系统的压控振荡器的设计,中心频率为3．6GHz．分析并比较了三种降低相位噪声的方法并进行了仿真验证,然后阐述了3．6GHz压控振荡器器件尺寸的优化分析．采用电感电容滤波技术降低相位噪声,在偏离中心频率600kHz处,仿真得到相位噪声为-117dBc／Hz,调谐范围达到26．7％．VCO电路在1．5V电压下工作,静态电流为6mA．     

一种基于延时线的全数字脉冲式超宽带发射机

本文设计了一款应用于无线体域网的全数字超宽带脉冲发射机.采用开环工作的延时线得到不同的延时信号,再由边沿合成器将多路延时信号合成为具有较高中心频率的短时方波脉冲信号,该短时方波脉冲信号经过输出驱动模块及带通滤波电路整形成为超宽带脉冲信号.芯片采用中芯国际0.13μm RF CMOS实现,面积为1 118μm×873μm.测试结果表明,发射机输出脉冲信号的最大幅度为220mV,信号-10dB带宽可在0.9~1.5GHz之间调节,脉冲信号中心频率在3.2~4.4GHz范围内可配置,当脉冲重复速率为15Mb/s、信号带宽为0.9GHz,输出信号设置为最大幅度时,芯片功耗为0.9mW.     

一种快速锁定数控锁相环

提出了一种快速锁定数控锁相环结构.该锁相环具有频率捕获模式和相位捕获模式2种工作模式.在频率捕获模式,通过提出的一种新的算法,可以迅速缩小参考时钟和反馈时钟之间的频率差.在相位捕获模式,数控锁相环能够达到更精确的相位锁定.为了验证提出的数控锁相环结构和算法,该数控锁相环电路采用SMIC0.18μm logic1P6M CMOS工艺实现,面积为0.2mm2,频率范围为48~416MHz.实测结果表明,数控锁相环只需要2个参考时钟周期就锁定在376MHz.数控锁相环锁定后功耗为11.394mW,峰峰值抖动为92ps,周期抖动为14.49ps.     

面向微处理器时钟发布的硅基无线发射器设计

基于硅基天线和电磁波传输的无线互连技术,设计实现了一种面向微处理器的无线时钟分布发射器电路,包括一个长2.6 mm、宽30 μm、集成在硅衬底（电阻率为10 Ω·cm）上的偶极折叠天线、高频锁相环、驱动和匹配电路.其中,硅基折叠天线提高了芯片的面积利用率,并通过在硅衬底与散热金属之间引入金刚石介质来提高折叠天线的传输增益.同时,为了减小信号传输功率的损失,在电路与硅基天线之间进行了阻抗共轭匹配,设计实现了中心工作频率11 GHz的低噪声锁相环,在频率偏移为3、10 MHz处的相位噪声分别达-116、-127 dBc/Hz.结果表明,所设计的发射器有效面积为0.85 mm2,能够提供低抖动、稳定的高频全局时钟源.     

适用于蓝牙快速锁定的2.4 GHz频率综合器

用TSMC CMOS 0.18μm工艺设计了2.4 GHz频率综合器,工作频段2.402~2.480 GHz,在2.19~2.76 GHz范围内能够自动调回到工作频段.VCO的相位噪声是-125.7 dBc/Hz@1 MHz,环路的相位噪声是-122.2 dBc/Hz@1 MHz,符合蓝牙协议的要求.     

电感及电容结构的压控振荡器电路设计与仿真

随着通信技术对射频收发机性能要求的不断提高,高性能压控振荡器已成为模拟集成电路设计、生产和实现的关键环节。针对压控振荡器设计过程中存在相位噪声这一核心问题,文中采用STMC 0.18μm CMOS工艺,提出了一种1.115 G的电感电容压控振荡器电路设计方案,利用Cadence中的Spectre RF对电路进行仿真。研究结果表明:在4～6 V的电压调节范围内,压控振荡器的输出频率范围为1.114 69～1.115 38 GHz,振荡频率为1.115 GHz时,在偏离中心频率10kHz处,100 kHz处以及1 MHz处的相位噪声分别为-90.9 dBc/Hz,-118.6 dBc/Hz,-141.3dBc/Hz,以较窄的频率调节范围换取较好的相位噪声抑制,从而提高了压控振荡器的噪声性能。     

应用于全数字锁相环的3.44～5.25GHz,FOM值为182dBc/Hz的低功耗数控振荡器设计

设计了一个应用于全数字锁相环的宽带电感电容数控振荡器(DCO).通过设计粗调谐电容阵列、中等调谐电容阵列和精细调谐电容阵列,实现了宽的调谐范围.采用NMOS和PMOS互补型交叉耦合电路,实现了低功耗、高优值(FOM)的振荡器.设计采用TSMC 0.13μm CMOS工艺,电源电压为1.2V.测试结果表明,DCO的调谐范围达到3.44～5.25GHz,调谐百分比为41.7%.在4.06GHz频率处,振荡器电路在1MHz频偏处的相位噪声为-117.6 dBc/Hz.在调谐范围内,设计的DCO电路在1 MHz频偏处的FOM值为182～185.5dBc/Hz.功耗为1.44～3.6mW.