针对超宽带和毫米波应用的宽调谐低相位噪声CMOS锁相环研究

摘要

MB-OFDM超宽带和60GHz通信均是用来实现高速短距离无线通信的潜在技术，将占据非常大的应用市场，近年来，这两项技术已经受到越来越多科研单位和公司的关注。与此同时，CMOS工艺的不断发展，使得用CMOS工艺来实现超宽带射频前端以及60GHz毫米波电路已成为可能，这样不仅有利于基带与射频前端的单芯片集成，而且可以降低系统的成本，加速产品的市场化。而在使用CMOS工艺实现单芯片集成的过程中，最重要的问题是如何如何提高本振信号的质量，以降低短距离通信过程中的误码率。因而设计一个宽调谐、高输出功率、低相位噪声和低杂散的频率生成电路对超宽带和60GHz毫米波都具有十分重要的意义。因而，本文的研究内容是解决用CMOS工艺实现OFDM超宽带和60GHz通信系统的频率生成电路时面对的困难和挑战。
　　为解决这些问题，本文主要做了以下的贡献:1）提出了一种正交输入二分频电路，此分频电路可直接处理正交输入信号，保证输出信号的相位序列与输入一致，同时解决了传统分频电路累积相位误差的缺点。2）提出了一种用于OFDM系统的五分频电路，此电路利用正交输入信号，解决了奇数分频电路的输出相位不确定和占空比不为50％的问题。3）分析了电流注入对可再生分频电路锁定范围的影响，并用此理论实现了一个中心频率为25GHz，锁定范围33％的可再生型分频电路。4）提出了一种具有毛刺抑制功能的电荷泵，可有效抑制电荷泵开关开启时的毛刺，并解决了电荷泵电流失配和电荷共享的问题;在此基础上，实现了可用于OFDM-UWB频率综合器的锁相环。5)设计了一种新型正交时钟校准电路，既可以校准输入的I/Q失配，又可以抑制电路自身非线性引起的频谱杂散。6）提出了适用于中国标准的超宽带频率综合器架构，并将提出的正交锁相环与时钟校准电路等模块结合，实现并验证了此超宽带频率综合器。7)为解决毫米波振荡器相位噪声差和输出功率低的问题，提出通过耦合振荡器阵列来解决这两个问题，并给出了详细的理论分析，在此基础上，为实现片上小面积耦合阵列，提出了一种基于左手介质传输线的零相移器，并对此耦合振荡器阵列进行了电路验证。8）为解决毫米波振荡器和分频电路调谐范围小的问题，提出了一种通过开关切换变压器副圈回流路径来改变输出感值的可调电感，以此为基础，提出了一个宽带、低相位噪声波动的60GHz振荡器;并将可调电感与前向体偏压技术结合，提出了一个60GHz分频电路;最后将振荡器和分频电路都集成到60GHz毫米波锁相环。

目录

摘要

绪论

1．1 无线个域网的应用背景

1．2 CMOS工艺在射频和毫米波领域的应用

1．3 基于CMOS锁相环的频率生成电路

1．4 CMOS UWB锁相环和毫米波锁相环的国内外研究现状

1．4．1 OFDM UWB锁相环研究现状

1．4．2 IEEE 802．15．3c锁相环研究现状

1．5 本文的研究内容

1．6 论文组织结构和主要贡献

1．6．1 组织结构

1．6．2 主要贡献

参考文献

锁相环原理

2．1 锁相环基础

2．2 锁相环各模块电路

2．2．1 环路滤波器与环路参数设计

2．2．2 压控振荡器设计与相位噪声理论

2．2．3 分频电路

2．2．4 鉴频鉴相器

2．2．5 电荷泵

2．3 锁相环性能指标

2．3．1 频率调谐范围

2．3．2 相位噪声与杂散

2．3．3 锁定时间

2．4 环路线性时小变模型

2．5 环路噪声模型

2．5．1 鉴频鉴相与电荷泵的电流噪声

2．5．2 环路滤波器的电压噪声

2．5．3 振荡器的相位噪声

2．5．4 分频电路的相位噪声

2．5．5 锁相环的相位噪声

2．6 本章小结

参考文献

OFDM超宽带锁相环与频率综合器设计

3．1 超宽带频率综合器性能指标

3．1．1 相位噪声

3．1．2 输出频谱杂散

3．1．3 输出I／Q正交性

3．1．4 切换时间

3．2 超宽带频率综合器架构

3．3 环路设计

3．4 正交压控振荡器设计

3．5 高速分频电路

3．5．1 超宽带锁相环中分频电路链路架构与指标

3．5．2 正交输入正交输出分频电路

3．5．3 数字分频电路

3．5．4 电平转换电路

3．5．5 使用电流注入的正交输入二分频电路

3．5．6 正交输入五分频电路

3．5．7 移相分频电路

3．6 鉴频鉴相器与电荷泵

3．6．1 鉴频鉴相器的设计

3．6．2 电荷泵的设计

3．7 频率综合电路设计

3．7．1 单边带混频器

3．7．2 时钟校准电路

3．7．3 频率选通器

3．8 版图设计

3．9 超宽带锁相环与频率综合器测试结果与分析

3．9．1 锁相环测试结果与分析

3．9．2 频率综合器测试结果与分析

3．10 本章小结

参考文献

毫米波振荡器及60GHz锁相环设计

4．1 有源器件设计

4．1．1 晶体管

4．1．2 可变电容

4．2 无源器件设计

4．2．1 传输线

4．2．2 电容

4．2．3 匹配网络

4．3 基于左手介质和耦和振荡器阵列的毫米波振荡器

4．3．1 耦合振荡器

4．3．2 耦合振荡器阵列的动态分析

4．3．3 耦合振荡器噪声分析

4．3．4 零相移器

4．3．5 耦合振荡器阵列设计

4．4 60GHz宽带振荡器设计

4．4．1 基于可变电流回流路径的可调电感

4．4．2 60GHz振荡器设计

4．5 分频链路

4．5．1 基于切换电感的注入锁定分频电路

4．5．2 可再生注入锁定二分频

4．5．3 注入锁定环分频电路

4．5．4 可变分频比分频电路

4．6 环路设计

4．7 毫米波电路中长连线的版图技术

4．8 ESD保护和Power Clamp电路

4．9 测试结果与分析

4．9．1 测试环境

4．9．2 测试结果

4．10 本章小结

参考文献

总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

致谢

个人简介与攻读学位期间取得的主要研究成果

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