LC压控振荡器及其预分频器的研究与设计

摘要

无线传感网络(Wireless Sensor Networks,WSN)以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点在智能家居等领域得到广泛应用。由于它通常包含数量众多的传感器节点,而这些节点常采用电池供电,所以为其设计的片上系统(System On Chip,SOC)芯片必须具备低成本、低功耗的特点。而且,随着无线传感网络节点不断地微型化,对芯片集成度的要求也越来越高。
　　近些年,随着工艺尺寸的不断缩小,芯片的密度、器件的速度以及电路处理信号的能力都在逐渐提高,推动了低成本、低功耗CMOS无线收发机的研究与开发。而压控振荡器(voltage Controlled Oscillator,VCO)和预分频器(prescaler)作为本地振荡源的核心模块,其功耗和相位噪声等性能将会直接影响到收发机系统的性能!
　　本论文的目的是采用CMOS工艺实现全集成的低功耗、低相位噪声的LC压控振荡器和预分频器。该模块电路用于IEEE802.15.4C标准申请的780(中国)/868(欧洲)MHz频段中无线收发机中。目前用于该频段的SOC芯片在国内依然处于未开发阶段。作为无线传感网络中的核心SOC芯片之一,开展有关研究与开发对于国内整个物联网行业的发展具有重要意义。
　　本论文实现了780/868MHz的低功耗和低相位噪声的LC压控振荡器及其预分频器,主要的工作内容和创新点包括:
　　1、研究了负阻LC压控振荡器的工作原理和电路结构,重点阐述了无源元件—集成电感和集成变容管的结构和特性,之后探讨了如何设计低KVCO的VCO用以改善其相位噪声的性能。
　　2、研究了正交2分频产生电路中D触发器的电路结构和工作原理,以及设计原则,最后通过采用电流复用技术降低了整个VCO模块的功耗。
　　3、研究了真单相时钟(True Single Phase Clock,TSPC)D触发器的工作原理和设计要点,最后设计了基于TSPC的低功耗4/5双模预分频器。
　　4、利用SMIC0.18μm1P6M CMOS工艺,实现了1.8V电源电压下的LC压控振荡器和4/5双模预分频器。芯片实验测试结果为:780/868MHz的LC压控振荡器的调谐范围为748-946MHz,其总功耗为4.5mW。且该LC压控振荡器在典型频率下测得其相位噪声分别为:中心频率fC1为849.73MHz,Pnoise为-99.02dBc/Hz@1MHz频偏;中心频率fC2为784.03MHz,Pnoise为-104.32dBc/Hz@1MHz频偏。而预分频器做在PLL环路里可以很好地实现正确分频。

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第1章 绪论

1.1研究目的和意义

1.2国内外研究现状和发展趋势

1.3论文的主要工作和内容安排

第2章 LC压控振荡器设计基础

2.1 直接频率变换收发机

2.2 压控振荡器的基本理论

2.3正交2分频电路

2.4 输出缓冲器

第3章 LC压控振荡器设计与优化

3.1 整体电路设计

3.2 LC压控振荡器电路设计

3.3 压控振荡器增益KVCO设计优化

3.4 正交2分频电路设计

3.5 输出缓冲器的设计与优化

3.6 LC压控振荡器仿真

第4章 预分频器的设计

4.1脉冲吞咽式分频器

4.2 双模分频器的实现方式

4.3 4/5双模分频器的实现

第5章 版图设计及测试

5.1版图设计

5.2芯片测试与分析

第6章 总结

致谢

参考文献

附录