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无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)集合了传感器技术、微机电技术以及网络通信技术,是由多种学科相互渗透的、在国际上享受很高关注度的新生技术领域。无线传感器芯片在无线网络的构成和发展中起着重要的作用,而频率综合器作为射频收发芯片中的关键模块,要求为混频器提供稳定精确的本振信号。本文的主要工作是设计应用于WSN频率综合器中的压控振荡器(Voltage Control Oscillator, VCO)、鉴频鉴相器(Phase Frequency Detector, PFD)以及电荷泵(Charge Pump, CP)模块。整个系统基于1V低电源电压,采用TSMC 0.18μm RF-CMOS工艺实现。VCO采用电感电容结构实现,PMOS晶体管交叉耦合提供负阻对,NMOS晶体管提供尾电流源。运用开关电容阵列扩展频率范围,引入二次谐振滤波技术以及大电容滤波技术改善相位噪声,引入开关电流源技术节省功耗,采用两级共源输出缓冲电路驱动输出信号。VCO的最终测试结果如下：芯片面积0.86mm×0.73mm=0.63mm2,核心功耗2.7～4.1mW,输出缓冲级功耗5.7～6.1mW,振荡频率4.66-6.78GHz,调谐范围37%,相位噪声-94--108dBc/Hz@1MHz,-104～-124dBc/[email protected]。测试结果满足设计指标要求。PFD采用基于传输门的动态D触发器式结构实现,引入了改进型与非门结构,优化了反相器器以及传输门结构。CP采用结合误差运算放大器和单位增益运算放大器的结构实现,优化了开关电路以及电流镜电路,引入了改进型折叠式共源共栅运算放大器。PFD/CP引入多种版图设计改善技术,整个版图面积大约0.38mm×0.18mm=0.07mm2。后端仿真结果如下：参考时钟频率20MHz, PFD逻辑功能正确,鉴相无死区,鉴相范围[-1.94π～1.94π]；CP工作电流50μA,在输出电压0.1-0.9V范围内,充放电电流失配小于0.01%；PFD输入同频同相时,CP输出电压在每个20参考信号周期内变化量小于0.002mV; PFD/CP总功耗小于0.5 mW。后端仿真结果满足设计指标要求。本文所设计的压控振荡器、鉴频鉴相器和电荷泵电路具有低电压低功耗特性,满足WSN系统的要求,对其它的无线应用芯片设计也具有一定参考意义。