电荷泵式自动幅度控制电路的设计与实现

摘要

近几十年,无线通信取得了巨大发展,人们对更高数据传输速率和更低功耗的要求,给射频通信系统的设计不断提出新的挑战。无论是有线还是无线应用,都是通过采用更高频谱利用效率的调制方案或者更宽的信道带宽来实现低功耗、低成本和高数据速率。另外,随着各种通信标准的发展和新的应用不断出现,为了向后兼容和降低成本,要求射频通信系统能支持多个通信标准以及一些宽带系统本身的特点,如DVB-C等,促进了人们对宽带器件的研究。
　　在现代通信器件中,作为频率综合器核心模块的压控振荡器,对数据的发送和接收起着非常重要的作用。由于压控振荡器的相位噪声决定了射频通信系统的灵敏度,所以如何设计和实现低相位噪声的宽带压控振荡器以满足宽带收发机系统的要求,成为当今工业界和学术界研究的热点。
　　要实现低相位噪声的宽带压控振荡器,自动幅度控制(Automatic-Amplitude Control，AAC)电路是一个必不可少的电路单元,因为没有自适应环路,很难在所有条件下都能使压控振荡器的偏置电流工作在最优值。因此,本文分析了目前普遍采用的传统模拟和数字AAC电路各自的优缺点。传统模拟AAC电路具有控制精度高的优点,但是其各个电路模块的噪声会严重恶化压控振荡器的相位噪声。传统数字AAC电路虽然解决了传统模拟AAC电路恶化压控振荡器相位噪声的问题,但是由于引入了数字时序逻辑电路,它具有稳定时间过长、电路设计相对复杂的缺点。基于这些分析,我们详细阐述了兼有模拟和数字AAC电路优点的电荷泵式AAC电路的工作原理、子电路的设计和系统设计方法。电荷泵式AAC在工作原理上和传统的模拟、数字AAC电路一样,都是一个通过控制压控振荡器的幅度来调节其工作电流,以实现最优工作状态的负反馈系统。它包括压控振荡器、幅度检测器、比较器、电荷泵和可调节式参考电压产生电路等模块。显然,引入电荷泵模块是该AAC电路区别于传统模拟和数字AAC电路的显著特点。一方面,当系统达到稳定时,电荷泵的输出为高阻状态,隔离了环路中其它电路模块噪声对压控振荡器相位噪声的影响,解决了传统模拟AAC电路会恶化压控振荡器相位噪声的问题;另一方面,在整个环路中只需要几个简单的组合逻辑门,没有时序逻辑电路,从而解决了传统数字AAC电路的稳定时间过长、电路设计相对复杂的问题。
　　最后,为了验证本文理论分析和设计方法的正确性,采用CSM0.25um射频混合信号CMOS工艺,利用Cadence公司的相应EDA工具,设计了一个调谐范围为80MHz-900MHz的宽带压控振荡器。该压控振荡器利用电荷泵式AAC电路来优化每个频率点处的工作电流。流片后的测试结果与理论分析和仿真结果相吻合,满足了单次变频数字有线电视调谐器中的频率综合器的系统要求,从而证实了本文理论分析和设计方法的正确性。
　　本课题得到了安徽大学硕士研究生创新计划的资助。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章绪论

1.1研究背景

1.2论文的主要工作

1.3论文的组织结构

第二章LC VCO的基本理论

2.1压控振荡器的基本特性参数

2.2 LC VCO的基本原理

2.3交叉耦合压控振荡器

第三章自动幅度控制电路分析

3.1宽带LC-VCO的设计考虑

3.2传统自动幅度控制电路

3.3电荷泵式自动幅度控制电路

第四章数字电视调谐器中宽带VCO的设计

4.1 系统架构

4.2电路设计

4.3测试结果分析

第五章总结与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文