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超高频射频识别(UHF RFID)的巨大市场潜力推动了阅读器(Reader)和标签(Tag)的研究和开发。频率合成器是阅读器中最关键的部分,随着CMOS工艺的不断发展,频率合成器的单片集成已经成为可能。 本文从UHF RFID的协议及频谱规范出发,系统地论述了阅读器中Delta-Sigma Fractional-N频率合成器的理论和实现,并且创新性地研究了频率合成器中的许多关键技术。 首先,根据UHF RFID阅读器中发射机的频谱特性和接收机的链路特征,本文系统地分析了阅读器中频率合成器的设计指标,并通过仿真模型验证了指标的正确性。 第二,基于阅读器的射频参数和频率合成器的设计指标,本文系统地分析了频率合成器的环路参数和噪声特性,保证所设计的环路指标能够满足锁相环频率合成器的噪声要求,在噪声合格前提下,设计出环路中的关键电路指标,包括环路带宽、VCO增益、电荷泵电流、分频比及滤波器参数等。 第三,设计出高Q值的锥形差分电感,从根本上改善VCO的相位噪声特性。锥形差分电感不但提高谐振网络的品质因素,改善相位噪声性能,并且有效地降低了芯片的面积。 第四,提出对称噪声滤波方案,并将其运用到压控振荡器的设计中,有效地解决了N/PMOS互补交叉耦合型(Complement Cross-Couple)VCO中电流源和电源中的噪声混频问题,芯片验证表明该措施效果明显。 第五,基于误差反馈型Delta-Sigma调节器,本文提出系数重配置方案,灵活动态地配置反馈回路中的系数,在环路参数变化时能相应地改变零点位置,增加芯片的可靠性和流片的一次成功率。 第六,提出基于同步补偿的压控振荡器增益线性化方案,解决由于频率调节而引起的增益变化问题,提高了环路的稳定性。 最后,基于频率合成器的设计指标,首次设计出应用于UHF RFID阅读器系统的Delta-Sigma Fractional-N频率合成器,流片测试表明芯片的主要指标都满足阅读器系统的要求,该设计为进一步的研究工作打下坚实的基础。