应用于超宽带毫米波频率源的100MHz鉴频鉴相器和电荷泵设计

摘要

毫米波技术已经成为国内外的研究热点。随着无线射频通讯技术的日臻成熟，无线传输速率也越来越高，毫米波技术可以通过提升频谱带宽来实现超高速无线数据传播，从而成为5G通讯技术中的关键之一。这也要求毫米波的时钟生成电路能提供更加精确的时钟信号，即要求设计出应用于毫米波段的高性能频率源电路。 本课题基于0.13μm SiGe BiCMOS工艺，设计应用于超宽带毫米波频率源芯片的100MHz鉴频鉴相器(Phase Frequency Detector，PFD)和电荷泵(Charge Pump，CP)电路。本文首先给出了基于TSPC D触发器和对称或非门构成的非线性PFD电路设计，与线性PFD电路相比，非线性PFD电路结构更为简单，在相位差大于±π时，能保持恒定输出，大大缩短锁定时间。同时在死区和盲区之间进行折衷，提高了PFD鉴相范围。本文同时给出了基于低压差电流镜结构的CP电路设计。核心电路中MOS晶体管均处于线性电阻区，轨对轨运放的高增益和电压钳位作用不仅降低了电流失配度还同时提高了输出电压范围。采用复制电路和电压钳位，使充放电电流精确匹配，同时单独设计电压基准和电流源电路，无需外加基准电流。在电源电压3.3V、TT/SS/FF工艺角及-55/27/125℃组合下对电路进行后仿真，最差结果表明PFD的鉴相范围为（-1.95π，1.95π），CP充放电电流为95.7~101.3μA，静态电流失配度小于0.1%，电流匹配输出电压范围为0.4~3.05V；当PFD输入信号同频同相时，PFD和CP总工作电流为2.27mA。 本次设计的PFD和CP电路性能满足超宽带毫米波频率源指标要求，对今后毫米波频率源的设计具有重要意义。

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