【摘 要】
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在无线通信系统中,射频收发模块起着重要作用,锁相环作为射频收发模块的重要组成部分,为射频收发模块提供本振信号,它的相位噪声对通信质量至关重要。鉴频鉴相器（Phase-Frequency Detector,PFD）、电荷泵（Charge Pump,CP）和压控振荡器（Voltage-Controlled Oscillator,VCO）是锁相环的主要组成部分,对它的锁定时间,相位噪声,频率调谐范围等起
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在无线通信系统中,射频收发模块起着重要作用,锁相环作为射频收发模块的重要组成部分,为射频收发模块提供本振信号,它的相位噪声对通信质量至关重要。鉴频鉴相器（Phase-Frequency Detector,PFD）、电荷泵（Charge Pump,CP）和压控振荡器（Voltage-Controlled Oscillator,VCO）是锁相环的主要组成部分,对它的锁定时间,相位噪声,频率调谐范围等起着重要作用。针对以上热点问题,首先介绍了电荷泵锁相环的重点知识,基于60GHz相控阵系统的要求,提出60GHz锁相环的系统方案,并进行行为级仿真验证。然后分别阐述了鉴频鉴相器,电荷泵和压控振荡器这3个模块的基础理论、电路设计、版图绘制、电磁仿真和后仿验证等。本文基于TSMC 40nm CMOS工艺完成设计,在TT工艺角27℃,SS工艺角-40℃,FF工艺角125℃下对电路进行后仿真。首先提出一种改进的边沿触发式鉴频鉴相器,为了防止死区的同时减小防死区脉宽,设计了2bit的可编程脉宽控制,该电路结构简单,性能稳定,功耗低。然后提出一种高速可编程电荷泵,为了提高电流匹配特性,该电荷泵使用电流匹配放大器和抑制电荷共享放大器提高性能,设计2bit粗调控制调节输出电流,设计时钟馈通抵消电路和5bit的精调控制解决电流失配。该电路工作在100MHz时,鉴频鉴相器无死区,防死区脉宽2bit可调（为278ns、381ns、484ns、588ns）,鉴相范围大于[-1.88π,1.88π];电荷泵输出电流为50～200μA,充放电电流误差在[-5.7%,5.84%]内变化5bit可调,输出电压在0.15V～0.85V变化时,电流失配都小于0.32%,面积仅为167μm*100μm。为了解决毫米波压控振荡器相位噪声差的问题,提出一种采用高Q值变压器实现正反馈的低噪声压控振荡器,同时还采用噪声滤除技术优化相位噪声;实现大的频率调节范围是本设计的另一难点,设计使用开关电容和可变电容结合来拓展带宽。压控振荡器在TT工艺角27℃时,频率调节范围为19.2～23.57GHz,相位噪声为-110.2～-106.5d Bc/Hz@1MHz;在所有情况下频率都覆盖20.65～22.45GHz,相位噪声为-111.4～-101.2d Bc/Hz@1MHz,振幅大于1.01Vpp,功耗小于11.1m W,面积为273μm*260μm。
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