高速低功耗二分频器与三模预分频器的设计

摘要

自从美国在1964年开始投入使用GPS全球定位系统,开始为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务,定位与授时从此有了全球统一的标准.中国从2000年开始组建北斗卫星导航系统,历经十余年的建设,已经从北斗一代的短报文有源定位,发展到北斗二代亚太地区无源定位覆盖,并正在向北斗三代全球组网迈进.全球卫星导航系统中的射频收发芯片与其他射频通信芯片最大的区别在于其需要长时间不间断工作,导航射频收发芯片的功耗直接决定了移动导航设备的续航时间,因此低功耗成为当前设计的重要指标. 本文首先介绍了镜像抑制接收机中频率综合器的基本原理,并给出了具体的结构设计,其次分析比较了分频器的主要结构和工作原理,在此基础上设计了基于电流模主从锁存器结构的正交二分频器,输出四路相位差为90°的正交差分信号,正交相位误差＜1.98°,工作电流小于1.93mA.最后重点分析了双模预分频器和三模预分频器的工作原理,并对基于相位切换技术预分频器的关键技术进行了详细分析,完成了16/16.5/17三模预分频器的设计,其最小连续分频比为256,工作电流小于1.41mA,配合量化电平减半的Δ-Σ调制器,对输出相位噪声的贡献度降低了6dB. 本文中的正交二分频器和16/16.5/17三模预分频器采用TSMC0.13μmRF CMOS1p6m工艺,版图面积分别为60μm×53μm和77μm×54μm.前后仿结果均表明,在全工艺角、温度和电源电压条件下,正交二分频器和16/16.5/17三模预分频器均工作正常,各项性能均满足设计指标要求.

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缩略语表

第1章 绪论

1.1 课题背景与意义

1.1.1 课题背景

1.1.2 课题意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容与设计指标

1.3.1 研究内容

1.3.2 设计指标

1.4 论文组织

第2章 镜像抑制接收机中频率综合器的基本理论与结构设计

2.1 镜像频率

2.2 镜像抑制

2.2.1 镜像抑制滤波器

2.2.2 零中频接收机

2.2.3 低中频接收机

2.3 正交(I/Q)信号的产生

2.3.1 RC-CR网络

2.3.2 分频器

2.3.3 正交LC振荡器

2.4 锁相环型频率综合器

2.4.1 基本工作原理

2.4.2 整数频率综合器与分数频率综合器的区别

2.5 分数频率综合器的基本结构

2.5.1 鉴频鉴相器和电荷泵

2.5.2 环路滤波器

2.5.3 压控振荡器

2.5.4 整数分频器

2.5.5 Δ-Σ调制器

2.6 分数频率综合器的理论模型

2.6.1 线性小信号模型

2.6.2 相位噪声模型

2.6.3 毛刺

2.6.4 锁定时间

2.6.5 输出频率范围

2.6.6 频率分辨率

2.7 本课题分数频率综合器的系统结构

2.8 本章小结

第3章 正交二分频器的设计与仿真分析

3.1 正交二分频器的原理分析

3.1.1 D锁存器

3.1.2 主从锁存器

3.1.3 主从锁存器的稳定性

3.2 正交二分频器的结构选取

3.2.1 传输门主从锁存器

3.2.2 时钟控制CMOS主从锁存器

3.2.3 共源共栅电压切换逻辑主从锁存器

3.2.4 真单相时钟主从锁存器

3.2.5 电流模型主从锁存器

3.3 正交二分频器的电路设计

3.3.1 基本差动放大器

3.3.2 低功耗正交二分频器电路

3.3.3 缓冲级

3.4 正交二分频器的前仿真验证

3.4.1 正交二分频器的功能仿真

3.4.2 正交二分频器的相位误差仿真

3.5 正交二分频器的版图设计

3.5.1 工艺规则

3.5.2 器件匹配

3.5.3 浅沟槽隔离应力效应

3.5.4 闩锁效应与保护环

3.5.5 版图设计

3.6 正交二分频器的后仿真验证

3.7 本章小结

第4章 16/16.5/17三模预分频器的设计与仿真分析

4.1 双模预分频器

4.1.1 工作原理

4.1.2 最小连续分频比

4.1.3 N/N+0.5双模预分频器

4.1.4 基于动态电路技术的双模预分频器

4.1.5 基于相位切换技术的双模预分频器

4.2 三模预分频器

4.2.1 最小连续分频比

4.2.2 基于相位切换技术的三模预分频器

4.3 16/16.5/17三模预分频器的电路设计

4.3.1 整体结构

4.3.2 相位切换电路

4.3.3 相位控制电路

4.4 16/16.5/17三模预分频器的前仿真验证

4.5 16/16.5/17三模预分频器的版图设计

4.6 16/16.5/17三模预分频器的后仿真验证

4.7 本章小结

第5章 总结与展望

参考文献

致谢