WSN频率综合器中低功耗鉴频鉴相器和电荷泵的设计与实现

摘要

无线传感器网络(WSN，WirelessSensorNetwork)被认为是21世纪最重要的技术之一。WSN技术将传感器技术、通信技术、分布式信息处理技术和嵌入式计算技术综合在一起，其最大的特点就是能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理然后发送给观察者。WSN技术将会对人类未来的生活方式产生深远影响，所以研究并设计应用于WSN系统的射频收发机芯片具有重要的意义。
　　 本项目基于TSMC0.18μmRF-CMOS工艺，设计并实现了应用于无线传感网频率综合器中的鉴频鉴相器(PFD，PhaseFrequencyDetector)和电荷泵(CP，ChargePump)。本文在分析电荷泵锁相环频率综合器中的PFD和CP模块的基础上，给出了基于TSPCD触发器结构的PFD电路设计，此结构的PFD具有低功耗、高速、高精度等优点。同时，优化了PFD复位延时模块，克服了PFD的死区，提高鉴频鉴相的范围，并保证了输出信号延时一致性。另外，本文同时给出了基于电路拷贝技术(Replica)的CP结构，并利用轨到轨运算放大器的钳位作用，提高CP的充放电流匹配精度和扩大电流匹配时的输出电压范围。同时，对CP的电流漏（放电电流源）进行优化，采用部分电流调节的思想，提高CP的工作速度和充放电流匹配精度。利用Cadence软件对PFD&CP进行优化与前仿真、版图设计和后仿真，并进行了流片验证，测试结果表明:在1.8V电源电压下，PFD鉴频鉴相功能正确;CP在输出电压0.23～1.72V内，充放电流失配度最大为0.5％;PFD和CP联合测试逻辑正确，PFD&CP的整体功耗小于620μW。
　　 本课题所设计的PFD&CP具有低功耗、高速、高电流匹配精度的特点，已应用于WSN射频收发芯片中，并且经过适当改进也可应用于其它电荷泵锁相环芯片中。