WSN射频收发芯片中低电压AFC和SPI模块设计

摘要

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种由大量微型传感器节点构成的网络，可以应用于智能家居、环境检测、医疗护理和军事安全等领域。随着无线传感网技术的发展，射频收发芯片对频率综合器的稳定性和功耗提出了更高的要求，低电压自动频率校准模块（AutomaticFrequency Calibration, AFC）和串行外围设备接口模块(Serial Peripheral Interface，SPI)作为频率综合器中的关键模块，对它们的研究具有重要意义。
　　本文阐述了PLL频率综合器的原理，并针对IEEE802.15.4协议确定了AFC模块和SPI模块的指标。AFC模块采用基于计数器的开环式结构，工作过程中关闭PS计数器，减少PS计数器引入的误差，同时采用快速AFC算法实现环路的快速锁定;SPI模块工作在从机模式下，通过单片机的控制可以对外部寄存器进行写读。AFC模块和SPI模块均采用半定制数字电路设计方式，本文给出了详细的电路设计过程，包括RTL代码编写和功能仿真结果、逻辑综合和综合后时序验证结果、版图设计和后仿真结果，并采用台积电0.18μm RF CMOS工艺进行流片。芯片测试结果表明，AFC环路实现锁定，且结果准确，在1.0V的电源电压下，AFC的锁定频率范围为4.8～5.0GHz，整个环路最长锁定时间为16.6μs，锁定后最大频率偏差为64MHz，工作电流为180.8μA; SPI模块在1.0V的低电压下，读写功能准确，一共可对16个外部寄存器进行读写操作，2个外部寄存器进行只读操作，每个寄存器都有16位，SPI模块的工作电流为300.5μA。
　　本文设计的低电压AFC模块和SPI模块满足WSN射频收发芯片的要求，并已应用于WSN射频收发芯片中。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景与意义

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 频率综合器理论基础

2．1 频率综合器类型

2．2 小数PLL基本结构

2．2．1 鉴频鉴相器与电荷泵

2．2．2 压控振荡器

2．2．3 环路滤波器

2．2．4 分频器

2．2．5 ∑-Δ调制器

2．3 小数PLL性能指标

2．3．1 频率范围

2．3．2 频率分辨率

2．3．3 相位噪声与杂散

2．3．4 锁定时间

2．3．5 面积、功耗

2．4 小结

第3章 数字电路设计流程

3．1 数字电路设计方法

3．1．1 全定制集成电路设计

3．1．2 半定制集成电路设计

3．2 半定制电路设计流程

3．2．1 系统体系结构设计

3．2．2 RTL代码编写

3．2．3 RTL功能仿真

3．2．4 逻辑综合

3．2．5 可测性设计

3．2．6 后端布局布线

3．2．7 设计规则检查

3．2．8 版图后仿真验证

3．2．9 流片生产

3．3 小结

第4章 AFC模块的设计与仿真

4．1 AFC模块的应用背景

4．2 AFC模块的结构种类

4．2．1 闭环式AFC

4．2．2 开环式AFC

4．3 AFC模块的设计

4．3．1 AFC环路的整体结构

4．3．2 AFC模块的指标要求

4．3．3 AFC模块的参数设定及工作流程

4．3．4 AFC模块的功能仿真

4．3．5 AFC模块的逻辑综合

4．3．6 AFC模块综合后时序验证

4．4 版图设计与后仿真

4．4．1 AFC模块版图设计

4．4．2 AFC模块后仿真

4．5 AFC环路的版图与后仿真

4．5．1 AFC环路的版图

4．5．2 AFC环路的后仿真

4．6 AFC环路功能的测试

4．6．1 AFC环路测试方案

4．6．2 AFC环路测试结果

4．7 小结

第5章 SPI模块的设计与仿真

5．1 SPI模块的结构和工作模式

5．2 SPI模块的设计

5．2．1 SPI模块参数的设定及工作流程

5．2．2 SPI读写模块的设计

5．2．3 SPI模块功能仿真

5．2．4 SPI模块逻辑综合

5．2．5 SPI模块综合后时序验证

5．3 版图设计与后仿真

5．3．1 SPI模块版图设计

5．3．2 SPI模块后仿真

5．4 SPI模块功能测试

5．4．1 SPI模块的测试方案

5．4．2 SPI模块的测试结果

5．5 小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文