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随着无线通信技术和微电子技术的高速发展，无线传感器网络引起了广泛的关注。符合IEEE802.15.4标准的Zigbee无线收发机主要针对短距离、低速率和低功耗的无线传感器网络应用。锁相环频率综合器是无线射频收发芯片的核心模块之一，为收发机提供低相位噪声和可编程的本振信号，其性能影响了收发机中接收端灵敏度、带外杂散辐射以及功耗等系统性能。本文以符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz频段Zigbee收发芯片为应用背景，着重于低功耗锁相环频率综合器的研究和设计。
本文的主要工作包括:1）根据IEEE802.15.4物理层对2.4GHz频段Zigbee射频收发机的要求，推导了频率综合器的性能指标，确立了兼顾相位噪声性能的低功耗设计为锁相环研究重点，选择整数型锁相环结构作为研究对象和实现方式，分析了锁相环环路参数的设计方法。2）提出了一种低功耗的压控振荡器和二分频器的电流复用结构，在跨导增强型Colpitts振荡器上叠加二分频器，实现正交本振信号输出，并通过电容中和法补偿振荡器中开关管栅-漏寄生电容的密勒效应，消除了二分频器对压控振荡器起振和相位噪声的影响。3）提出了一种低功耗的可编程分频器，将相位切换预分频器中的相位选择器和二分频器组成套叠结构，降低了互连损耗和失配，省去了缓冲器以及二分频器的功耗，实现了一种低功耗的相位切换预分频器;将程序计数器和脉冲吞咽计数器中D触发器进行共用，使计数器中D触发器的总数减少了一半，降低了可编程计数器的面积和功耗;提出了一种高速低功耗的TSPC2/3双模预分频器，通过将D触发器预充电状态延迟一个时钟周期实现三分频操作，整个2/3分频器仅有6级动态反相器，并且2/3分频器在二分频时，可以关断未用的D触发器，降低2/3分频器的延迟和功耗。4）提出了一种主从式电流导向型电荷泵，通过主、从电荷泵同时对主电荷泵的互补节点充放电，降低了单位增益缓冲器的带宽要求，从而消除了由于单位增益缓冲器的有限带宽造成的电荷共享效应，降低了电荷泵电流失配。
论文基于SMIC0.18μmCMOS工艺设计并实现了一款应用于2.4GHz频段Zigbee射频收发机的锁相环频率综合器，锁相环面积仅为0.55mm2，测试结果表明:1.8V电源电压下，锁相环功耗为12mW，锁相环输出频率范围为4.64-5.4GHz，相位噪声低于-105dBc/Hz@1MHz，参考频率为4MHz，参考杂散小于-46dBc。经过正交二分频器，锁相环能够提供频率范围为2.32-2.7GHz，频率间隔为1MHz的正交本振信号，测试结果表明本频率综合器满足Zigbee无线射频收发机的应用要求。