（微电子学与固体电子学专业论文）数字cmos工艺实现的单片本振电路.pdf

复旦大学博士学位论文 摘要 本篇论文的主题是在标准数字c m o s 工艺条件下，研究单片集成无线通 信系统中本机振荡电路的设计。论文从系统的角度，改进了电荷泵锁相环事件 驱动模型的实现方法；在器件方露，提出了提离片上螺麓f 趣感性能的实用方 法稿n 萤约芯片瑟襁弱电枣实嚣方法：庄电路穷蓊，设计并实褒了爱予簸牙系 统本掇信号发生的频率综合器，其独特之处在于实现了完全集成的c m o s 倍 频v c o 。下面简单介绍一下每章的内容。 论文首先从射频( r f ) 电路的角度出发，分析了c m o s 工艺的现状积未 褒嚣憝势，戮及嚣静特征冗专炼小黯r f 壤鼹淫戆熬影酾，势虽重点分绣 了c m o s 技术作为r f 电路基碱工艺时的一黪其体问题。 数次，论文介绍了用于本搬电路的频率综合器的常见结构，性能指标，以 及作为其理论基础的锁相环模型和相位噪声模型。在系统缀的实现上，为了快 速仿囊瘸予鞋频系绕中懿宅莓象锬撩环，本文在篦较凡棼霉霆臻卖方法懿基毯 上，藏点研究了电稿泵锁相环的枣件驱动模型，并且针对这种模型的其体实现 提出了一些改进。改进后的实现方法主要用于快速仿真跳频系统中频率台成锁 相环的稳定性和建立时间。 褥次，出于电罐鹃实现蔹赖予数字c m o s 工艺熊够爨供鹣冬静嚣搏，本 文骈究了片上电感的建模释实魏，并且提出了一静在标准数字c m o s 工艺条 件下，提高片上螺旋电感性能的实用方法；以及在缺少双层多晶硅电容的情况 下，可以大大节约芯片面积的一种电容实现方法；另外还简单介绍变容管的实 现和模型等方蕊盼闲题，并对其他工艺因素，如有源器件蛉性能，衬底芹鞋互联 静影麓等钕了一些探讨。 最后，基于对系统和器件的认识和讨论，具体设计t 一种适用于单片集 成b l u e t o o t h 发接器的本振电路，并完成了测试。其中重点研究了该电路的核 心，即一种倍频式艇控振荡器( v c o ) 。这种v c o 由两部分组成，主v c o 的 振荡频率是嚣蓑零擐疆率懿一半，然螽采建“注入锾壤”爨瑾对主v c o 豹振 荡频率进行倍频以产生本振信譬。主v c o 和倍频电路都使用片上集成电感， 无需外接元件，从而提高芯片的集成度。为了补偿工艺偏麓的影响，谐振回路 中使用数字开关控制的电容阵列，以便于对成品芯片进行软件可编程的调整。 在毫辫没涛中剥瓣了本文套绥懿关予尽量鬟裹垮上集或惫黪瞧篷零霹减，、魄餐錾 积鹩方法。经过版潮设计，该电路在t s m c 0 3 5 舻m l p 4 m 数字c m o s 工藏流片 后进行了测试。 关键溺：本振电蹲；电萄泵锁樱环；跳频系统；事件驱动；行为级仿冀；蓝牙 发接爨；倍频奄蹲；象频集成惫路；片主窀戆：邀容；m o s 变容警；瀵振回 路；服控振荡器 a b s t r a c t ( 英文摘要) a b s t r a c t ( 英文摘要) t h i st h e s i si sa b o u tt h ed e s i g no fl o c a lo s c i l l a t o rc i r c u i tf o rw i r e l e s sc o m m u n i e a t i o ns y s t e mi ns t a n d a r dd i g i t a lc m o s t e c h n o l o g y f i r s t ，t h ep r e s e n ts t a t u s a n dt h et r e n do ff u t u r ea b o u tc m o s t e c h n o l o g ya r ed e s c r i b ei nt h ep o i n to fr f c i r c u i t sv i e w t h ei n f l u e n c e so ft h es h r i n k a g eo ft h ed e v i c e sm i n i m u mc h a n n e l l e n g t ht ot h ep e r f o r m a n c eo fr f c i r c u i ta r ea l s oi n t r o d u c e ds o m ed e t a i l sa r ea l s o g i v e nw h e nt h ec m o st e c h n o l o g yi su s e da st h eb a s i so ft h er fd e s i g n s e c o n d ，t h ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e r sa r c h i t e c t u r e sa n ds p e c i f i c a t i o n sa r ed e s c r i b e d t h em o d e lo fp l la n dp h a s en o i s ea r ea l s op r e s e n t e db r i e f l y i no r d e r t os i m u l a t ec h a r g ep u m pp l lo ff r e q u e n c yh o p p i n gs y s t e m si nh i g h e rl e v e l ，s e v e r a lm e t h o d sa r ei n t r o d u c e da n dc o m p a r e dt h ee m p h a s i si so nt h ee v e n t d r i v e n m o d e lw h i c hc a ns i m u l a t et h ec h a r g ep u m pp l lq u i c k l ya n de m c i e n t l y w h e n t h em o d e li su s e dt os i m u l a t et h es t a b i l i t ya n ds e t t l i n gt i m eo ft h ec h a r g ep u m p p l l ，s o m ei m p r o v e m e n t sa r em a d et or u ni tf a s t e r t h i r d ，b e c a u s et h er e a l i z a t i o no ft h ec i r c u i t sd e p e n do nt h ed e v i c e st h a tt h e d i g i t a lc m o st e c h n o l o g yc a np r o v i d e ，o n c h i ps p i r a li n d u c t o r 8m o d e l a n dd e s i g n m e t h o d sa r ea n a l y z e d an o v e ll c t a n ki sp r o p o s e db a s e do nt h es t a n d a r dd i g i t a l c m o s p r o c e s s a b i l i t y t h ei n d u c t o r sp e r f o r m a n c ei si m p r o v e di ni t ss e l f - r e s o n a n t f r e q u e n c ya n dt h ec a p a c i t o r sa r e ai s r e d u c e dg r e a t l yt h ev a r a e t o r sm o d e la n d d e s i g na r ei n t r o d u c e dt o o s o m eo t h e ra s p e c t ，s u c ha sa c t i v ed e v i c e s ，i n t e r c o n n e c t ， s u b s t r a t e ，w i l lb es t u d i e dc o n c i s e l y a tt h el a s t ，b a s e do nt h ek n o w l e d g eo fs y s t e ma n dd e v i c e ，al o c a lo s c i l l a t o r c i r c u i ta r ed e s i g n e d ，i m p l e m e n t e d ，a n dt e s t e df o ra p p l i c a t i o no fb l u e t o o t hw i r e l e s s t r a n s c e i v e ra st h ec o r eo ft h ec i r c u i t ，av o l t a g ec o n t r o l l e do s c i l l a t o r ( v c o ) u s i n g f r e q u e n c yd o u b l i n gp r i n c i p l ei si n t r o d u c e d t h ev c o i n c l u d e st w o p a r t s t h ec e i l t r a lf r e q u e n c yo ft h em a i nv c oi sh a l fo ft h er e q u i r e dl o c a lo s c i l l a t i n gf r e q u e n c y i t so u t p u tf r e q u e n c yi sd o u b l e du s i n gt h ep r i n c i p l eo f “i n j e c t i o nl o c k i n g ”t ot h e r e q u i r e dl o c a lo s c i l l a t i n gf r e q u e n c y i no r d e rt oc o m p e n s a t et h ed e v i a t i o no ft h e t e c h n o l o g y ，t h ec a p a c i t o ra r r a yc o n t r o l l e db yt h ed i g i t a ls w i t c h e si sa d o p t e di nt h e l ct a n k ，t h ei n d u c t o r sp e r f o r m a n c ea n dt h ea r e ao ft h ec a p a c i t o ra r ei m p r o v e d u s i n g t h em e t h o d p r o p o s e di nt h i st h e s i s t h ev a r a c t o ri si m p l e m e n t e d w i t hp m o s t r a n s i s t o ra f t e rt h el a y o u td e s i g n ，t h ec h i pi sm a n u f a c t u r e dw i t ht s m c0 3 5 # m s t a n d a r dd i g i t a lc m o s t e c h n o l o g y t h et e s t i n gr e s u l t sa r ep r e s e n t e d k e y w o r d s ：c h a r g ep u m pp l l ；f r e q u e n c yh o p p i n gs y s t e m ；e v e n td r i v e n ；b e h a v i o r a ls i m u l a t i o n ；b l u e t o o t ht r a n s c e i v e r ；v c o ；f r e q u e n c yd o u b l i n gc i r c u i t ； r f i c ；o n - c h i pi n d u c t o r ；c a p a c i t o r ；l c t a n k ；v c o 复旦大学博士学位论文 第一章引言 随着半导体工艺技术的持续发展，人们将无线接口电路和数字基带信号处 理电路集成在一块芯片上的愿望正在逐步变为现实。由于c m o s 工艺便于数模 混合高度集成的优点非常有利于降低产品成本，缩短设汁周期。因此从长远看 来，采用c m o s 工艺的射频电路将会越来越普遍。另外，由于工艺开发的成 本，e d a 工具的普及，以及制造时间和成本等因素的限制，人们特别青睐于使 用主流标准数字c m o s 工艺设计和制作r f 电路，因而也就增加了设计的难度 和挑战性。 1 1c m o s 工艺和射频集成电路 通信技术的不断发展，影响着人类生活的方方面面，尤其是加深了社会的 信息化。各种各样的通信方式，使人们的沟通更加容易，生产效率更加提高， 生活更加美好。特别是近年来，无线通信市场的快速增长，使人们在技术方面 越来越追求高性能和低成本，这就对工艺的发展和电路的设计不断提出新的挑 战。 综观已经发布和正在制定的各种无线通信标准，未来移动终端的功能要比 现在复杂得多，这主要起因于：1 ) 要传输更大的数据量：2 ) 更复杂的分布式计 算；3 1 对多模式和多频段操作的需求；4 ) 复杂的软件功能，以及对多媒体应用 的支持。虽然功能更加复杂，但是对成本和功耗的要求却没有降低。于是，人 们不断从半导体工艺技术和电路设计方面寻求新的突破。 一般认为，可以单片集成的功能越多，就越容易实现低成本，低功耗，体 积小，和高可靠性。所以，随着半导体技术的发展，希望能将更多的接口模块 不断集成进来，例如射频模块、传感器接口模块等等。目前，借助于先进的器 件和封装技术，原来各种分立接口模块的体积不但越来越小，而且已经出现了 被逐步集成进去的趋势。 就射频电路领域而言各种不同的工艺和器件都有相应的长处和短处。单 就消费类无线通信而论，未来的努力目标已经越来越清楚，那就是“s i n g l e c h i p c m o sr a d i o ”，这就要求将无线接口电路和数字基带信号处理电路同时集成在 一块芯片( 衬底) 上。目前，几乎全部基带信号处理电路都可以使用c m o s 工 艺单片集成了，但是对于前端的射频电路，普遍的做法仍然是芯片和分立器件 相结合。例如，常见的大多数通讯终端都采用的是超外差结构，这种结构至少 包括一个射频( r f ) 模块和一个中频( i f ) 模块，所以通信芯片供应商一般都 会同时提供这两个模块，用以形成一个完整的解决方案，并且通常都需要一些 外接元件。尽管如此，射频电路单片集成的趋势已经开始出现，首先是将r f 和i f 模块集成起来，然后是和基带电路集成起来。然而要最终实现这个目标， 必须选择- - 1 合适的工艺，考虑到基带信号处理电路在未来的单片集成中会占 据芯片面积的绝大部分，以及c m o s 工艺本身的优势，人们努力的目标就成了 第一童弓 言 “荦片c m o s 辩频电貉”。 但是，与c p u 、d s p 等v l s i 电路相比，通信设备对无线接口的技术要 求是稳当多叠搴。在v l s i 中，最基率静要求就跫功耗，速度和成品牵，丽这些 指标一直随着器件最小线宽的缩小和集成殿的增加而不断改善。而在射频集成 耄薅中，除了上述帮v l s i 穗藏黥籀标矫，还努簇考虑噪声，线性爱，灌盏， 相位噪声，效率，功糍等方谢。所咀，从器件优化和集成度方面考虑，适于射 频电臻要求於鑫释工慧爨然链于不凝懿竞争露演亿中1 1 j 。嚣耱，虽然c m o s 工艺已经开始占领g h z 频段的低端，但是在大多数无线通信设备中，仍然是 各军孛工芝攘结合寒完成整个系统款谤熊。这些提亘竞争翳工艺龟括：s ic m o s 和b j t ，s i s i g eh b t ，g a a sm e s f e t 等，它们各自麒有不同的优缺点。 当翦比较滤l 亍的典型划分是g a a sm e s f e t 一般瘸于靠近天线的部分( 妇 射频开关，低噪放，功放等) ，双极型晶体管一般用于频率综合器部分，因为 基具有低的相位噪声。睦能，b i c m o s 多羼予接近蒸带敬混合信号处理部分，以 提高集成度，而基带倍号处理基本上是c m o s 工茳一枝独秀。 采用哪种工艺实现某耪特定盼r f 功能，往往取决于多个方面的综合考 虑，例如性能，成本，集成度，设计周期等。g a a s 工艺由于具有较高的电子迁 移率和饱和速度，以及较好的树底隔离效果，所以在高频性能方面具有相当的 优势，仍然牢军占据着一定的领域，如灵敏度较高的卫摄地面站接收器等，这 些领域耳前还没有出现被其他工艺所取代的趋势。但是，另一方而s i 晶体管的 特征频率已经达到可以和g a a s 工艺相院织韵程发，虽然在噪声性畿上还膏一 定差距。即使如此，由于s i 器件的集成度高，通过合理的体系结构设计反而有 可链使系统靛慧成本帮功耗酶低。 随着c m o s 工艺的不断进步原来被其他工艺所占据的领域不断受到 它戆魏蔑，蔼量c m o s 工艺暴有下翻j 常显著的优点：1 ) 惩成本；2 ) 高集成 度；3 ) 便于数模混合集成；4 ) 可以实现低电源电压；5 ) 成熟的制程。所以尽管 鏊蒋c m o s2 1 1 芑在射攘佳熊方囊送骞差距瓯僵是姣长远看来，它对r f 设诗 的吸引力将会越来越大。另外，由于工艺开发的成本，e d a 工具的普及，以及 剃造薅阗窝成本等因素熬限裁，人们特别蠢昧于使月主滚标准数字c m o s 工艺 设计和制作r f 电路，而非专用的c m o s 工艺【4 】。同时。随着数字电路性能的 不凝提意，要求王艺够提供更快的晶体篝，更妻子粒互逛方式，以及更多竣金 属层，这些也为c m o s 射频电路的实现提供了便利条件。 杰这秘愤捷下，许多研究规构郡在从攀c m o s 条 孛下的射频电路开发，这 篇论文所研究的数字c m o s 工艺实现的革片本搬电路也是这种思路的一种尝 试。 1 2本振赶路的重要作用 随着汁算机技术和通信技术的飞速发展和日益紧密结合，人类对无线通信 的依赖与日俱增，扶丽不断撼出更海的技术要求。无线通信从诞生越就一畿丽 2 复旦大学博士学位论文 临着带宽和频谱资源的矛盾，而近年来，数据通信和图像通信等又不断提出更 高的带宽需求。这就促使通信信道在可利用频段上不断向更高的频率扩展吼 与之伴随的另一种趋势是，随着个人移动终端的广泛普及，需要通信设备向体 积小，重量轻，低功耗和高可靠性方向上发展。于是，单片集成就成为设备微 型化的重要要求之一被提了出来。 在通信系统和设备的实现中，作为本振电路的频率综合器有着重要的作 用，往往制约着整个系统的许多方面，例如信道宽度，信道切换的时间，对l 临 近信道的干扰等等【6 】。可以说，高性能的本振电路是实现高性能通信设备和 节约频谱资源的基本需求。正如上面所说的，为了降低系统成本，提高系统可 靠性，需要尽量减少外围元件的数目，集成本振单元，尤其是便于和v l s i 单 片集成的c m o s 工艺实现的本振电路，更有着重要的现实意义和研究价值。 图11 和图12 分别是直接变频( d i r e c tc o n v e r s i o n ) 收发信机和超外差接收系 统的原理框图，从中可以看到，在这两种常见收发信机体系结构中，本振电路 都起着重要的基本作用。 图1 1 ：直接变频收发信机原理框图 凋哳翳萨 图1 2 ：超外差接收系统原理框图 1 3 论文的主要工作 在系统方面，在研究p l l 线性模型的基础上，为了解决跳频系统中p l l 电路仿真时间长的问题，利用事件驱动原理，实现了一种行为级的快速仿真方 法，该方法大大降低了对系统跳频行为的验证时间。在实现的时候，修正了原 文献中的错误，并且针对具体算法提出了减少仿真步骤的改进几 3 第一誊引言 在器件方面，主要针对使用标准数字c m o s 工艺设计射频电路时，对l c 谐振回路中电感和电容元件的优化。提出了改进电感元件性能的一种办法( 即 “不等宽”金属并联) 和一种节约电容面积的方法( 即符合设计规则的“多孔 电容”) 8 1 。从而为设计者在电路设计时充分发挥工艺潜力，以及利用e d a 工 具的帮助方面提供了一定的参考作用。 在电路方面，设计了一种用于蓝牙( b l u e t o o t h ) 无线发接器的本振电 路 9 】。该电路的特点是采用了一种基于“注入锁频”原理的倍频式v c o ，并利 用i n t e g e r np l l 结构，在t s m c 03 5 # m 标准数字c m o s 工艺条件下，实现 了一种可以单片集成的，工作在2 4 g h z 中心频率的本振电路，从而降低了电 路的整体成本，提高了整个系统的可靠性。 1 4 论文的组织结构 引言部分介绍了c m o s 工艺和射频集成电路的现状和发展趋势，以及本振 电路在无线收发信机中的重要作用，也就是进行本研究的意义。 第二章从系统的角度介绍了本振电路的基本结构和性能指标，其中包 括p l l 的模型，相位噪声模型，以及跳频系统的行为级快速仿真等。由于本振 电路的实现采用p l l 方式，所以首先介绍了p l l 的线性模型，用于系统设计 和仿真。其次，相位噪声是本振电路最重要的性能指标之一，所以简要介绍了 当前流行的几种便于工程设计应用的相位噪声模型。最后，为了验证系统跳频 时环路的建立，给出了基于事件驱动的仿真模型。 第三章介绍元件的建模和实现。由于在单片集成r f 电路中，有许多单元 模块会用到l c 谐振回路，而且这些电路的性能指标在很大程度上受限于谐振 回路中的集成电感元件。另外，由于标准数字c m o s 工艺中缺少双层多晶硅电 容，使得电容元件的选用受到性能和面积等因素的制约。因此在这里重点讨论 了谐振回路中集成电感的设计和仿真，重点是性能的改进和优化，并且介绍了 谐振回路中电容元件的实现和节省面积的实用方法。最后，简要介绍了r f 设 计对有源器件，衬底，互联，封装等的要求。 第四章在前面对系统和器件研究的基础上，介绍了具体电路的设计和实 现，其中重点介绍了一种倍频式v c o 电路的设计和仿真，同时也对环路整体 和其他辅助电路做了必要的描述和简介。 第五章介绍电路的物理实现，即版图的设计以及电路的测试。 最后一部分对全文进行总结，并提出对未来工作的展望。 上海市重点项目 4 复旦大学博士学位论文 第二章系统设计和仿真 在无线通信系统中，不论魁经典的超外基接收系统，遥是最近开始流行的 低( 零) 中频系统，都需要产生相应的本机搬荡信号( l o ) 提供发送时的载波 彝接牧时信号夔羧瀵搬移( 下变频) 或簿 蓬。产生本振信号矮基本教手羧赣是 使用各种频率综合器。频率综合器在萁谴电子通信系统中游应用也菲常广泛， 例如在数字基带通信系统中，频率综合器可作为同步信号的产生和恢复模块。 在多时钟数字系统和高速数字系统中，频率综合器也起卷提供时钟的擞要作 用。掰以本章将扶系统鲍受度错究雳l 乍本振彀鼹鲍频率综台器，从而为本摄亳 路静浚诗提供理论麓确帮整体鲍攒导。 2 1 频率综台器的常见结构和性熊指标 2 ，l 。l 常觅结构 图前常见的频辫综合器基本结构有如下几种； “ k ：习_ | i! !l 图2 1 ：i n t e g e r - n 锬稳环瓣霖建疆黼 熬数分频结构( i n t e g e r n ) ，如图2 1 所示。这种结构菇电路形式相对简 单，所以它最基本的优点就是可以节省芯片磷积，从而降低成本。另外邂肖一 令优患裁是理论毛 究充分，馁予王程实践。键蹙奁这嵇绻赡中，由于要求参考 频率等予信道宽度或中频频率，就使褥参考频率e 。，普遍取得根低，这会带来 几个方面的问题：第一，为了保证环路的稳定性，环路带宽必须远远小于参考 频率，于是造成环路带宽很小，这就增加了环路的建立时间，降低了信邋的切 按速度，也不列予v c o 高频噪声嬲拂制。第二，蠡子较大鲍分频系数，柬宴参 考獭灏、鉴籀器和环路滤波器静噪声将会交褥 # 常高，因为这些噪声健簸舞输 出端的时候都会乘以因子n 。所以虽然带宽窄，这种结构抑制相位噪声的能力 也不是很突出，尤敦是在c m o s 工艺中，由于器件具有午目对较大的1 f 噪声， 这个闽题就更加突出。另一方藤，控制电压敕波动也会形成输出频谱上间隔较 5 第二章系统设计和仿粪 遥鹃尖蒯，为了撺剩这稀边带，也衾对系统的带宽提出箱应的爱求。最后，在 这种结构中，对高速分频器的需求也是一个限制因素。在某些情况下，如果希 璧系统麓有一个合适静带宽，疆保谖一定豹建立甜润和对v c o 嗓声豹抑蒯， 就需要考虑其他方案。此时。f r a c t i o n a l n 结构就成为另种可以选择的替代方 案。 分数分频结构( f r a c t i o n a l - n ) ，如图2 2 所示【1 0 1 。这利，结构可使用较高 魏参考额率，觚蠢降 氛了对答统甍宽酶滠澍。僵跫由予镬餍分数分灏，会；| 趟 “f r a c t i o n a ls p u r s ”现象。其表现为控制电压形成特定的周期性波动，在输出 鬏谱中产生不希望鲢蠢害透带。力了搀翱这耪现象，方法之一是在茹| = 鼹中；| 入调制器米进行噪声整形【1 1 j 。但是随之而来的就是提高了电路酌复杂魔， 增鸯嚣了芯片蘧积，荠黩盎毙繁囊了谗多关予强路特性敬菠阑题，熟稳定性，穗 位噪声特性，以及如何建立简单有效的工程模型等等。所以从工程技术的角度 出发，当i n t e g e r n 可以满足要求时，就不宜采用更复杂鲍结镌。 豳2 2 ：分数分频镁耀琢戆添溪楗黧 直接数字合成( d d s ) 。这穆缝橡由于速度的限制不适食在r f 领域走单 独用作l o 频率合成。但是它兼容于数字工艺，所以特别适合低频应用和作为 辅助频率台成单元使用。 双环路结构( d u a ll o o p ) 。这种结构通过两个环踏产生不同频率的信号， 然后通过混频形成所嚣要的最终频率。例如，一个环路产生固定的高频信号， 男一个环路( 因为频率较低也可班考虑采用直接数字合成) 产生虢额所需的频 段信号，丽者榴混频产= 生特定的信遵频率。双环鼹结构的优点是环路参数可以 分剐调节，以适应不同的需求。但箕缺煮也是明湿酾，混频器的； 入蹙增掏了 电路的复杂性，同时双环路的采用也增大了功耗和芯片面积。 2 1 2 主要性能指标 频率综合嚣的主臻性能指标有：频率准确度，相位噪声，边带( s i d e b a n d 6 复旦大学博士学位论文 s p u r s ) ，切换时间，抗噪声性能，功耗和芯片面积等。 产生精确的频率信号是对频率综合器的基本要求，般而言，通过精确的 参考频率源和p l l 的闭环控制相结合就可以解决这个问题。但是由于温度变化 或元件( 如石英晶体) 老化会造成频率的漂移，这其中又可以区分为长期和短 期两种稳定性。短期频率漂移主要由噪声和干扰引起，取决于频率综合器的抗 噪声性能；而解决长期稳定性问题的主要方法是采用自动频率控制( a f c ) 进 行校正。 相位噪声是制约频率综合器的最重要的指标扎在发送端，相位噪声会导 致发送信号对临近信道的干扰。在接收端，相位噪声会造成干扰频率落入解调 出的有用信号的频段，破坏信号的正常接受，或增大误码率。由于这个问题特 别重要，所以本章将有专门一节介绍振荡器的相位噪声模型。 本振信号中如果存在不希望的边带( 或单一频率成分的“尖刺”) ，也会 产生类似相位噪声的作用，将干扰频率引入接收到的有用信号中，所以对这种 边带的抑制能力，也是频率综合器性能的重要方面。 对于跳频通信系统，系统需要不断的切换频段( 信道) ，而环路需要一定 的时间完成这种切换，这个时问的长短，也是影响系统速度的关键因素，所以 跳频系统中，频率综合器的切换时间也是必须考察的重要方面之一。另外，环 路切换的时候会引起瞬态干扰，这个问题也值得注意。 在集成系统中，存在着多种噪声源对频率综合器形成干扰，例如数字基带 信号通过衬底的耦合，功率放大器的瞬态干扰，以及通过电源耦合的噪声等 等。另外在某些系统中，为了降低功耗，功率放大器会不停地进行工作和休眠 状态的切换，由此造成电源电压的波动。因此，抵抗噪声的性能和高的电源抑 制比也是衡量频率综合器的重要方面。 最后，在满足上述性能指标的前提下，应该尽量减小频率综合器的功耗和 芯片面积。 由于大部分频率综合器主要由锁相环构成，所以下面首先考察锁相环的模 型和基本组成。 2 2 锁相环的模型和基本组成 2 2 1锁相环电路的线性模型 图2 1 所示的系统之所以叫做锁相环是因为反馈环路自动调整输出信号的 相位使其等于输入信号的相位。由此也就决定了研究锁相环最方便的办法是使 用参考频率的相位和v c o 信号的相位作为环路变量，如图2 3 所示【1 2 】。 输入信号的相位为目，。，( t ) ，v c o 输出的相位为o o u t ( t ) 。设分频器的分频因 子为，则有： 口姗( t ) = ：等半( 2 1 ) 7 第二章系统设计和仿真 圈2 3 ：环路变蹙的定义 假设环路已经锁定，鉴相器的传输函数为 v p d ( t ) = 玛dt 陵e ，( ) 一擘；】( 2 2 ) 其中，翳d 力鍪摆器黪增益，擎健为w r a d 。 相位误差电压经过一个传输函数为g f ，( s ) 的环路滤波器，通常这个滤波器 具商低通特性，信号和噪声申的高频分量将被抑制掉。这个滤波器魄传输函数 将在很大程度上决定环路的嗓声和动态性能。 压控振荡器( v c o ) 的频事由控制电联决定，其楣对中心频率蛳的偏 离薰“= k v c o ，其中，砥，c o 为v c o 增赫因子，荜位为r 蕊f ( ys ) 。 掣；i ，( v c o 嘲) ( 2 3 ) 面一。 ”c l jo j 崮l a p l a c e 交换， 、 口( s ) ；k v 。v a s )( 2 。4 ) 予是在线性假设的情况下，锁相环也可以抽象为如图2 4 所示的反馈系统，菸 中g 为芷自传输函数，h ( s ) 力反馈匿予。 该殷馈系统的环增益为： g h ( 扣堕号掌 ( 2 5 ) 环耱模型黧立菪，藏可以翻瓣传翁函数作为工具繇究p l l 豹各释线黢祷 钮e 。对本振频率综合器而言，输出噪声是非常重骚的，它由各种噪声源和它们 到输鲞静健辕涵数嚣决定。掰鹾在这里我稻善走考察葵噪声模鍪。p l l 中裔两 种主要的噪声来源：来自参考频率的噪声和v c o 自身产生的噪声( 猩图2 ，4 中 鬻# v 襄示) 。势澍诗篝输凄售琴对它船楚矮环健辕爨鼗： 垒黯=丽1；矿孬面n瓦80vco(s 1 o h ( s蕊) + )$ + 蜀州g e ，( s ) 嚣y g d 8 囊星奎冀堡圭耋堡堡塞 图2 4 ：p l l 的线性反馈模型 粼= 斋g h ( s 一志n 麓糕c o 眨， 露。，s ) l + ) t s + 妫d t 国，( s ) ，勋 “ 通常，从v c o 到输出的传输函数具宵高通特性，离频噪声受到较小的衰 藏，瞧藏是谎，对于频率裹予繇鼹媾宠懿噪声蠢富，输出戆喋声竞全盘v c o 的性能决定。这是因为高频时环增蔬大大减小，姆致反馈机制无法抑制这些噪 声分量；嚣寒鑫参考繁号斡噪声是爨逶数，羧出融要乘以分频熬子n 。 关于通过环路传输函数研究p l l 的其他性能，例如瞬态特性( 如跟踪和捕 获等) ，已有详缨的文娥可戳参阅。巍子电蕤系锬粳环躲饯篷特性和广泛 应用，这里只针对电荷泵锁相环进行必要的讨论。 设电藏泵的邀滚为k ，则鉴相器积巧鼹滤波器总的转簸函数为： d g i s ( s ) = 蓑z t l ( s ) ( 2 8 ) 一般而言，环路阶数和类型决定了环路的许多特性，并且影响到环路最重 要的参数一带宽躲确定。对予一个二黢，类型l i 魄锬耀骡，设葵巧路滤波嚣熬 传输函数为， 局，( s ) = 恐+ 六( 2 9 ) 注意只有电荷聚锁相环可以利用无源滤波器形成类型i i ( 开环传输函数有两个 辍点位予s 平甏静磊点) 静环路。魏果捷愆转统麓鉴媚器，剐必须镘籍有灞滤 波器。确定了蜀，( s ) ，就可以得到环增益为： g h ( s ) 一嘉锄( s ) k 。v c _ o 一笔铲可1 + s r r 。c 心l o ) 豫点处的两个极点，一个来源子v c o ，另一个来源于电荷泵静离阻悫。于蹙可 以得到穿越( cj r o s s o v e l ) 频率为 “，。一l v k 矿v c o r , ( 2 1 1 ) 一： 塞三塞至堡堡墼垫堕塞 补偿零点位于 1 。22 丽 ( 2 1 2 ) 最后，还可以得到闭环系统的自然频率和阻尼因子为， a 3 n = ( 21 3 ) ( = r 2 , v i c p c 2 z ”k v c o ( 2 1 4 ) 二阶电荷泵锁相环的一个特点是，对于鉴相器的每一个周期，电荷泵电流 导致一个瞬态的控制电压波动，这时引起的频率变化为 l u i = k v c o 。k r ：( 21 5 ) 理论上，当环路锁定以后，电荷泵处于高阻态，这个波动就消失了。实际 应用中，如果这种突变扰动必须消除的话，可以添) o n - 个并联的电容g ，如 图2 5 所示，这样就形成了一个三阶的类型i i 锁相环。 c p 图2 5 ：第二类型三阶电荷泵锁相环的环路滤波器 这个滤波器的阻抗为 训s ) = 丽是惫葡 ( 2 1 6 ) 其中n = r z c ：，_ = r ：( c ；1 + 1 ) 。 此时环增益等于 g 耶) = 笔铲丽老惫葡( 2 1 7 ) 其对应的穿越频率为 一钱笋彘 皿 2 丽矿一虿了瓦 8 ) 额外极点的引入又引起相应的折衷，一方面希望抑制参考频率的波动，需 要极点的位置比较低，另一方面，又希望环路的稳态和动态响应在相同的u 。 笺垦大学博士掌位论文 帮l 豹情况下稍二骱环路没有太显著豹区辅，这就要求这个额外的极点应位于 穿越频率右边相当远的地方。于是一个经验法则是，零点应位于穿越频率的三 分之一经，丽赣癸嚣糍点应位于穿越额率麴三蓿憝。这样安撵可以保证足够豹 相位裕度，以维持环路的稳定性。 下磷考察镁楱环电路瓣基本莘元。 2 2 。2 镁相繇毫路懿基本荤元 用于本振电路的p l l ，其基本缎成模块有v c o ，分频器，环路滤波器差口鉴 桷器。对于电荷泵锁稠环还赘有电衙泵，如果要产生正交信号刚还可能要有移 相网络等。下面简要讨论一- vp l l 的基本组成模块。 压控振荡器( v c o ) v c o 是频率综合器中最关键的部件。v c o 的设计必须考虑相位噪声，调 谐范围，噪声，功耗等限制黝素。崧无线邋信领域中，一般环形振荡器的绻橡 不再适用于本搬信号的产生。虽然环振的调谐范嘲较宽，但q 值低，元件多， 噪声大的基本缺陷限制了它的相位噪声性能。另一方武，l c 振荡器由于使用 元件少，选择蛙相对较高丽被广泛弼于无线通信领域中，但在标准c m o s 工艺 中，这种振荡器受到缺少高q 值元件( 尤其是电感) 的限制，因而也不得不在 稳位臻声郛调谐范围闻做出掰衰。 v c o 主器洼畿指标 相位噪声，即耜位稳定性，其输出信号在频域上应尽量接近掉激函数( 单 一频率成分) 。 调遴范围，必须覆羞要袋熬蓬爨程考虑工芝绱差。 调谐线性，为简化p l l 的设计，v c o 的增懿应尽可能接：i 琏常数。 f r e q u e n c yp u s h i n g ，即中心频率对电源电压的依赖程度。 f r e q u e n c yp u l l i n g ，霹中心频率对受载交讫豁依羧程寝。 功耗和芯片面积。 常见的v c o 类型 晶体振荡器 用予产生稳定躲频率，可爆做参考信号；由予是体的特性会随时间移溢度 漂移，所以有t c x o 和v c x o 两种补偿形式。 张魏援荡嚣r e l a x a t i o no s c i l l a t o r s ) 谐波成分丰富，并且频率不易做高。 第二章系统设计和仿囊 环形振荡嚣 【习为相位噪声性能差，它的应用在无线通信领域中受到很大限制。 l c 振荡器 中心频率由无源器件( l c 谐振回路) 决定，所以可以期望褥到较低的榴位 噪声，并且可以产生正交差分输出，如图2 6 所示 1 5 i 。 o t a c 振荡器 比如文氏桥振荡器。 其 龟黪式 一般不适于i c 实现。 鉴相器 v 囤2 6 ：一种l c v c o 的例子：正交输出 鍪稻器主要可分为三类：模瓠箍相器( 或乘法器) ；时序逻辑嘏路，翔异 或门，触发器等；鉴频鉴相器( p f d ) 。 窀赫泵锁褶环往麓鍪频舔相器。在这种电路中，如果参考频率帮分频器输 出信号的边沿同时出现，则臻相器没有输出，电荷装保持在高阻态。此时即使 存在徽小的稆蓑，鉴籀器童不麓立帮嫡应，因为它需要一段时溺使u p 帮d o w n 信号产生，这段时间就是p f d 的延迟。所以即使存在微小的相差，电荷蒙也 缣籍在裔獾态，窦舔上在鉴穗器裁传臻特褴上在零稳茇瓣近爨凌了段乎静嗡 应，即“死区”，此时环路实际上是开路的( 因为k ) d 足零) 。 遮令淫蘧可程遂邀绘u p 器d o w n 信号一段围定秘最小霆遮霹阉寒解决。 这样u d 和d o w n 的时间净潍决定了电荷泵输出电压的总的变化，而且这个变 化正比予埝久信号的攘差。予是，# 常垂覆戆一点是，当微小糖差孵，电蘩泵 也不再处于高阻态，而且环路总是闭合的。 1 2 艇重大学博学位论文 环路滤波器 大多数p l l 的特性将被环路滤波器所决定，为了强调遴点，这里嚣举一 个i 类三阶锁桐环的例予，并说明一下它的环路滤波器的零极点配置。 为了菠善锁撩臻黪瓣态牾性+ 豢在环潞滤波嚣中引入个 豪频投点。据 j 避将产生。熬黠搬撼穆，所以必须 l 入一个补臻畦蛉零点，以保持足够麴襁 饭裕鹰。其波特图如2 7 所示。 g h ( f l 。 、7 图2 7 ：第一类黧三阶锁褶环的波特黼 f 另外，为了确保环路稳定，补偿的极点必须足够低以确保相位裕度大 于6 0 。阂为有相警离的直流增益，这个环路可以很好的跟繇输入频率的囊 化。壤憋情琵下，低频极点可以移到零频率处，拭瓣导致个类型二熬镂 糖环，这釉情越下，对输入频攀变化响应的稳惫相蓑将为零，这裁必须使 用有源滤波器，例如黼2 8 所示。对这个有源滤波器电路运用理想运放条 斡，a ：o q ，可得，u ；= ( 逸g ) ，呻= ( 岛q ) 。 分频电路 c m o s 工麓实现的高速度，低功耗的分频电路也是频率综合器中的一个制 约因索。 蝰爨审缒分频瞧黪霹戳进行妇下憝区分： 1 3 第二蠹系统设计和仿真 c z 图2 8 ：有源滤渡器 1 ，爵缡程静计数器或分壤器主要褥予控裁分鬏跑。羧攥实瑰方式，霹分为瑟 大类：同步方式和异步方式。 2 前餮分颈嚣 当工作频率很高时，必须使用特殊的前置分频器。此时如果分频系数圃 定，鬃对褥定的僖遭闻黼，参考频率必须降低。这藏意味藩减小带宽，往 往怒不希塑的。因此经常采用的一个解决的办法髓，使厢双模前置分频 器f d m p ，d u a l m o d u l u sp r e s c a l e r ) ，餐是要付密一垡牺黪速度瀚伐俊。采 用d m p ，可以实现n p + s 的分频结构。 c h a n n e i s e l e c t 瀚2 9 ：n p 十s 分频器 图2 9 所示就是这稀n p + s 分频结鞫。由圈中可戳褥高，分频系数为f + 1 ) s 十( p s ) 一n p 十s ，于是可以实现的最大分频比为p ( n 十1 ) ，最 小分频院为p 。 1 4 受旦大攀博士学位论文 2 3 相位嗓声的l e e s o n 模型 稳定l c 振荡嚣的输出可以描述为： 口( ) = a c o s 融t + 乒( ) 】( 2 。1 9 ) 对予援缀变纯鳇棼避慧特篷，般瓣娃理方法楚毒霆疹溺为零蚜蓬薛乎穗涟筏过 程，而凰为了研究方便起见，一般都转化到频域中进行。关于频率或相位变化 的频域信息可以用楣健圣( t ) 的“功零”谱密度岛( 0 或频率曲( t ) 的“功率” 谱密凄& ( 屿。) 涞描述。 积调毒理论进行炎魄，可以耀寒代表噪声圣t ) 筑频域频攀，这量 要注意区分频域频率和时域信号的瞬时颓率。& ( ) 的单位是t a d 2 h z ， 而文( u 。) 的单位是( t a d s ) 2 h z 。它们之间的关系是 ( “m ) = u 轰& ( u m )( 2 + 2 0 ) 在定的带宽范阐内，乳( 。) 也可以液述为等效的r m s 频偏矗。，。而 且，剥用窄带调捆理论，在调制蘸数很小，即西2 1 的情况下，同对调幅分 量远小予调频分爨( a m p m ) 的时候，麴“”纯的r f 功攀谱g 一e g o ) 等 霜予楼靛鼹双边繁颤瀵“) ，魄裁是说，r f 边带攘粒予载波的下降始鬃鼹 分贝作单位来表示的谲正好是( “。) 。 对振荡器噪声模测的一个基本要求是可以比较清楚的说明相位的“功率谱 密浚”& f “h 稻援荡器参鼗以及羧荡器中信号福度筋关系。下萄是一个蔺纂 的基于线性反馈振荡器魄模型。实际上，如暴对这个模型鼹绩论进行必要涎鲣 正，还可以包含非线憔效应。 设一个谐振网络的品质因数为q ( 包含负载效应) ，振荡的中心频率 为。宅翻之丽豹关系是 2 bl 蛐q 溶2 1 ) 其中，2 b 为3 d b 带宽，b 简称为半带宽。对于半带宽范围内的小的频率偏 差，逝壹瑶出噪声或系统参数变 皂g l 越鲍输入端魄频率变化，将会在输爨端产生 一个由系统传输涵数决定的砑瘫变化，它们之