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无线收发机系统中,锁相环型频率综合器是射频前端的关键模块。它利用稳定的低频参考信号,产生稳定的射频范围的本振信号,其性能影响着整个收发系统的性能。由于无线通讯技术的快速发展,使得它对锁相环技术有着越来越高的要求。电荷泵型锁相环因为其捕获范围大、锁定时相位误差小等优点,成为了当前锁相环技术的主流。本文将对应用于IMT Advanced和UWB系统的双频带电荷泵锁相环型频率综合器中的鉴频鉴相器、电荷泵和前置分频器几个关键模块的电路进行设计。
作为锁相环中的关键模块,鉴频鉴相器决定了频率综合器的精度和稳定性,电荷泵为频率综合器提供宽的捕捉范围和快速锁定的能力。本文在传统的边沿触发型鉴频鉴相器结构的基础上,给出了一种基于TSPC(True Single Phase Clock)D触发器的高精度鉴频鉴相器的设计。该鉴频鉴相器具有结构简单、功耗低、鉴相范围宽、无鉴相死区等优点。另外,本文在分析电荷泵非理想因素对锁相环影响的基础上,针对电荷泵充放电电流失配、电荷共享和电荷注入等非理想的因素,提出了一种采用误差运算放大器和单位增益放大器两种技术相结合的电荷泵结构,减小了电荷泵非理想因素对锁相环的影响,实现了电荷泵充放电电流的高精度宽范围匹配。
射频前置分频器工作在锁相环的最高频率,是锁相环中功耗最大的部分之一,因此降低功耗是前置分频器设计的关键。本文在总结各种CMOS双模前置分频器结构的基础上,详细给出了一种基于E-TSPC触发器的低功耗、高速射频CMOS16/17双模前置分频器的设计。此外,本文还完成了一种差分正交二分频器的设计。它位于锁相环外,为收发机提供四路正交信号。由于本文要求设计的差分正交二分频器,其输入信号的最高频率可达10GHz左右,因此高速和低功耗成为了设计此二分频器时主要考虑的问题。
基于TSMC0.13μmRFCMOS工艺,采用Cadence软件对电路进行仿真。后仿真结果表明:在1.2V电源电压下,鉴频鉴相器的各种逻辑功能正确;电荷泵工作电流为100μA,在0.2V到1.1V输出电压范围内,充电电流和放电电流高精度匹配;鉴频鉴相器和电荷泵电路总功耗为0.98mW;16/17双模前置分频器能够在2GHz到6GHz的频率范围内实现正确的双模分频,且在6GHz工作频率下,电路的功耗仅为2.76mW;差分正交二分频器在5GHz到11GHz的频率范围内,能够很好的实现正交二分频的电路功能,在11GHz工作频率下,该二分频器核心电路的电流仅为1.53mA。