应用于无线超宽带通信接收机锁相环式频率合成器中的PFD和CP设计与实现

摘要

随着无线通信技术的发展和人们对高速短距离通信的需求，超宽带(UWB，Ultra WideBand)技术作为一种具有巨大发展潜力的新型无线通信技术，实现了短距离内超带宽、高速的数据传输。由于射频接收机位于无线通信系统的最前端，其关键电路的设计成为受到广泛关注的热点。随着半导体技术的迅速发展，CMOS工艺低制造成本的优势，加上不断提高的特征频率，使得以CMOS工艺实现高频段通信系统的射频前端集成电路成为可能。锁相环(PLL，Phase-Locked Loop)式频率合成器作为射频接收机的“心脏”，是射频接收机中的关键部件，决定着射频接收机的整体性能。作为锁相环电路的关键模块，鉴频鉴相器(PFD，Phase Frequency Detector)提供锁相环频率合成器系统的稳定性和精度，电荷泵(CP, ChargePump)决定了快速锁定能力以及宽的频率捕捉范围。
　　本文对应用于无线超宽带通信接收机中锁相环频率合成器中的PFD和CP电路的设计进行了研究。本文首先分析了鉴频鉴相器以及电荷泵的基本工作原理及影响其性能的各项指标。本文设计了一种基于TSPC-D触发器的新型非线性PFD电路。该电路具有结构简单、对称性好、能加速锁相环的锁定过程等优点。此外，本文还设计了一种基于电流舵结构的改进型CP电路，其中加入电流补偿电路、加速捕获电路、毛刺抑制电路等一系列提高性能的辅助模块，使得设计的电荷泵具有电流匹配性好、锁定速度快、毛刺小等优点。本文采用90nm CMOS工艺，完成了PFD和CP的版图设计，并进行了流片验证。芯片测试结果表明:在1.2V电源电压下，鉴频鉴相器的各种逻辑功能与性能良好，电荷泵输出电流为180μA，输出电压在0.15～0.9V范围内失配电流比率小于2％，PFD与CP模块总功耗为1.8～3.3mW。
　　作为无线通信领域一个全新的研究热点，设计用于无线超宽带通信接收机中锁相环式频率合成器的PFD和CP电路具有重要的工程研究价值与广阔的市场应用前景。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景与意义

1．1．1 课题背景

1．1．2 UWB接收机中频率合成器设计指标

1．2 研究内容与应用价值

1．3 论文的主要工作

1．4 论文结构

第2章 电荷泵锁相环频率合成器

2．1 锁相环路

2．1．1 锁相环的基本属性

2．1．2 电荷泵锁相环频率合成器

2．2 鉴相器理论基础

2．2．1 乘法鉴相器

2．2．2 序列鉴相器

2．2．3 鉴频鉴相器

2．2．4 鉴相器的非理想特性

2．3 电荷泵理论基础

2．3．1 电荷泵模型

2．3．2 电荷泵噪声

2．3．3 静态相位误差

2．3．4 非线性

2．3．5 纹渡

2．3．6 电荷泵基本电路

2．4 小结

第3章 鉴频鉴相器与电荷泵电路设计

3．1 PFD电路设计

3．1．1 PFD的设计难点

3．1．2 线性PFD的设计

3．1．3 非线性PFD的设计

3．1．4 PFD的前仿真

3．2 基于电流舵结构的电荷泵设计

3．2．1 电荷泵的设计难点

3．2．2 电荷泵电路设计

3．2．3 钳位放大器设计

3．2．4 跟随器设计

3．2．5 200μA电流源设计

3．2．6 电荷泵前仿真

3．3 PFD与CP联合前仿真

3．4 小结

第4章 芯片版图设计与测试结果

4．1 版图设计原则

4．1．1 噪声干扰的避免

4．1．2 版图设计中的注意事项

4．2 PFD与CP版图设计

4．3 PFD／CP后仿结果与性能分析

4．3．1 PFD瞬态波形后仿真

4．3．2 CP静态电流后仿真

4．3．3 PFD／CP联合后仿真

4．4 芯片测试结果

4．4．1 鉴频鉴相器测试

4．4．2 电荷泵测试

4．4．3 实验结果总结

4．5 小结

第5章 总结与展望

5．1 工作总结

5．2 工作展望

参考文献

附件：攻读硕士学位期间发表的论文

致谢