【摘 要】
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从“蒸汽时代”到“电气时代”,科技的迅速发展不断引领着人类社会的进步,也不断改变着人们的日常生活。随着当下第五代移动通信技术的研发和使用,在提高人类工业效率和生活质量的同时,也对无线通信系统中的收发机提出了越来越高的要求。而作为收发机中的关键模块,锁相环电路系统的性能则显得至关重要。对芯片而言,制造工艺往往成为制约其性能的关键因素。硅基CMOS工艺相比于其他工艺拥有集成度高、功耗低、成本低、发展前
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从“蒸汽时代”到“电气时代”,科技的迅速发展不断引领着人类社会的进步,也不断改变着人们的日常生活。随着当下第五代移动通信技术的研发和使用,在提高人类工业效率和生活质量的同时,也对无线通信系统中的收发机提出了越来越高的要求。而作为收发机中的关键模块,锁相环电路系统的性能则显得至关重要。对芯片而言,制造工艺往往成为制约其性能的关键因素。硅基CMOS工艺相比于其他工艺拥有集成度高、功耗低、成本低、发展前景广阔等优点。因此,本文首先对近年来硅基CMOS锁相环及其关键技术的研究与发展脉络进行梳理并总结,并详细介绍了锁相环系统及其关键技术的基本理论、一般架构和性能指标,最后,本文基于硅基CMOS工艺完成了锁相环中关键技术的具体电路设计。随后本文利用65nm CMOS工艺设计了一款三态线性鉴频鉴相器,在传统结构的基础上增加了使能端,降低了其整体平均功耗;同时,增加了复位端,通过提供片外时序调整的可能性提高了它工作时的稳定性;同时设计了一款双运放配合使用结构的电荷泵,减小失配,实现充放电电流的高匹配度,降低环路杂散。后仿真结果显示其级联时序功能正常并且电流匹配良好。实测锁相环工作正常。在低相位噪声压控振荡器设计方面,本文使用180nm CMOS工艺设计了一款Class-C结构压控振荡器,在版图设计的过程中对电感和地平面之间的耦合作用进行了分析,提高了电感的品质因数,优化了相位噪声性能。在实际测试中实现了3.65 GHz到4.10 GHz的调谐范围,相对带宽11.6%,在1.8 V供电电压下消耗电流6.71 m A,在4.05 GHz下频偏1 MHz处相位噪声为-127.8 dBc/Hz,整体Fo M为189.1 dBc/Hz。在超低功耗压控振荡器设计方面,本文使用65nm CMOS工艺设计了一款inverse Class-C结构压控振荡器,其核心谐振腔使用了高品质因数的漏源反馈变压器来代替传统结构的电感,在保证相位噪声性能的前提下大幅降低了其功耗。在实际测试中实现了4.65 GHz到5.67 GHz的频率调谐范围,相对带宽19.7%,在全频带频率内实测直流功耗仅为187μW到270μW,相位噪声从-110.8 dBc/Hz到-113.2 dBc/Hz,Fo M为192.4 dBc/Hz.
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