应用于短距离器件的带频率自校准分数分频频率综合器的设计和研究

摘要

短距离无线通信技术与其他无线通信技术相比由于通信距离短而具有较低的功耗，此外短距离无线通信技术一般采用无需许可的工业、科学和医疗(IndustryScience Medical，ISM)频段，因而被广泛使用。短距离器件(Short Range Device，SRD)以功耗小，开发周期短和应用广泛等特点在短距离无线通信技术中脱颖而出。频率综合器是SRD收发器的关键模块，本文主要工作是研究与设计应用于SRD收发器的频率综合器。
　　首先，论文在分析了衡量频率综合器的主要性能指标后，根据典型的SRD标准ETSI EN330200规定的收发器的要求，制定了适用于SRD的900MHz频段的频率综合器的各项指标。此外，论文对分数分频频率综合器的相位噪声作了理论分析，给出了环路相位噪声与环路各个模块噪声之间的联系，并给出了优化系统相位噪声的指导性意见。
　　然后，论文从电荷泵、压控振荡器和分频器这三个频率综合器系统里的模拟模块出发，分析了它们的非理想因素，以及对频率综合器各项指标的影响。
　　接着，论文对自动频率校准模块进行了研究，并在此基础上提出了一个无论校准精度还是校准速度都很有竞争力的自动校准电路的解决方案，以满足系统对频率精度和锁定时间的要求。
　　最后，论文实现了应用于SRD的900MHz带频率自校准分数分频频率综合器，其中在压控振荡器的设计中采用了数控电容阵列、低通滤波等技术来优化相位噪声;在分频器的设计中采用了一种相位选择型的预分频器，实现了4/4.5的双模分频;在电荷泵的设计中，采用了一种低静态失配的结构;在自动频率校准模块中，采用了一种高速、高精度的频率自校准技术。芯片由SMIC0.13um CMOS工艺设计和实现，仿真结果表明各项指标均达到性能指标。

目录

摘要

第一章 前言

1．1 研究背景

1．2 主要工作和创新

1．3 论文的组织和安排

第二章 锁相环频率综合器指标定义与系统设计

2．1 锁相环频率综合器概述

2．2 锁相环主要性能指标

2．2．1 相位噪声

2．2．2 频谱杂散

2．2．3 频率分辨率

2．2．4 建立时间

2．3 EN 330 200频率综合器系统指标定义

2．3．1 EN330 200标准简介

2．3．2 868／434MHz发射机对频率综合器的指标要求

2．4 锁相环系统S域模型及相位噪声模型

2．5 频率综合器系统相位噪声的优化

2．5．1 参考时钟和分频器噪声

2．5．2 鉴频鉴相器和电荷泵噪声

2．5．3 压控振荡器噪声

2．5．4 环路滤波器

2．5．5 Σ-Δ调制器噪声

2．5．6 带宽对相位噪声的影响

2．6 本章小结

第三章 模拟电路模块分析与设计

3．1 电荷泵的设计与优化

3．1．1 电荷泵的基本结构

3．1．2 电荷泵电流的失配对杂散的影响

3．1．3 电荷泵电流噪声

3．2 低功耗低噪声压控振荡器的设计

3．2．1 交叉耦合振荡器的三种结构

3．2．2 压控振荡器相位噪声的来源

3．2．3 压控振荡器相位噪声的优化

3．3 可编程分频器设计

3．3．1 可编程分频器的实现

3．3．2 高频二分频器的设计

3．4 本章小结

第四章 自动频率校准(AFC)模块分析与设计

4．1 AFC原理概述

4．2 AFC校准精度和速度

4．2．1 系统误差

4．2．2 分数误差

4．3 一种高精度快速校准AFC电路

4．4 本章小结

第五章 芯片设计实例

5．1 电路模块设计

5．1．1 高速鉴频鉴相器的设计

5．1．2 低静态失配电荷泵的设计

5．1．3 电感电容压控振荡器

5．2 版图与仿真结果

5．2．1 VCO仿真结果

5．2．2 电荷泵仿真结果

5．2．3 分频器仿真结果

5．2．4 频率校准环路仿真结果

5．2．5 频率综合器的自锁定过程

5．2．6 频率综合器整体相位噪声的仿真

5．3 性能总结

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 未来展望

参考文献

致谢

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