【摘 要】
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毫米波的使用是促使未来5G通信系统成为现实的具吸引力的解决方案之一,这使得毫米波芯片成为近几年研究的热门。而频率综合器作为射频前端的核心电路,其性能对5G通信系统的质量有着至关重要的影响,在毫米波频段,系统对相位噪声要求的不断提高与频率综合器噪声性能的恶化成为不可避免的矛盾,这一点,在射频接收机中尤其明显。本文对毫米波频率综合器的研究现状进行了调研,分析了毫米波频率综合器的主流电路结构,然后从模块
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毫米波的使用是促使未来5G通信系统成为现实的具吸引力的解决方案之一,这使得毫米波芯片成为近几年研究的热门。而频率综合器作为射频前端的核心电路,其性能对5G通信系统的质量有着至关重要的影响,在毫米波频段,系统对相位噪声要求的不断提高与频率综合器噪声性能的恶化成为不可避免的矛盾,这一点,在射频接收机中尤其明显。本文对毫米波频率综合器的研究现状进行了调研,分析了毫米波频率综合器的主流电路结构,然后从模块到系统对基于锁相环结构的频率综合器进行了研究,在MATLAB下完成了系统建模和仿真,确定了锁相环的环路参数。接下来,本文设计了基于锁相环结构的频率综合器的各个电路模块,包括:一款具有超低相位噪声的压控振荡器。该压控振荡器采用双负阻结构,从顶部给谐振腔提供电流偏置,避免了衬偏效应导致的相位噪声恶化,同时提高了波形的对称性,器件全部采用DNW型,能够有效地降低衬底耦合噪声,此外还设计了高Q值的电感并进行了电磁仿真。最终的压控振荡器后仿结果调谐范围能覆盖24.75GHz～27.5GHz,在整个调谐范围相噪小于-103d Bc/Hz@1MHz,-123d Bc/Hz@10MHz,该电路使用2.7V和1.2V两种电压供电,功耗约为10.0m W。一款基于RS触发器的鉴频鉴相器和具有高精度的电荷泵。其中鉴频鉴相器通过添加传输门减小了差分开关控制信号的交叠,通过添加可控延迟模块消除了鉴相死区;电荷泵采用转向电荷泵结构,设计了互补开关以减小时钟馈通,应用共源共栅结构和运放钳位技术极大地提高了电流源的输出阻抗,降低了电流的失配。鉴频鉴相器和电荷泵联合后仿真结果显示,电荷泵直流失配小于0.2‰,在10k Hz处的电流噪声约-222d BA,100k Hz处的电流噪声约-230d BA,1MHz处的电流噪声约-224d BA。一款能够实现495～550分频比的低功耗分频器,其中包括4/5预分频器,16/17预分频器,以及两个可编程计数器。4/5预分频器采用CML结构,通过对制约CML锁存器速度的因素进行分析,优化参数和电路结构,提高了预分频器的工作频率,并在锁存器中嵌入NAND门,在降低电路功耗的同时进一步提高了预分频器的工作频率。16/17预分频器电路中除4/5预分频器外,均采用差分传输门寄存器实现,大大地降低了分频器的功耗。可编程计数器A通过额外增加一个D触发器,将关键路径延迟从一个时钟周期扩展为三个时钟周期,使计数器的工作频率提高了一倍以上,可编程计数器B则通过使用时钟下降沿计数的方式,解决了该计数器不能计数1的问题。分频器后仿结果显示,预分频器分频范围覆盖24.75GHz～27.5GHz,预分频器噪声为为-152d Bc/Hz@1MHz、-157d Bc/Hz@10MHz,双模分频器能够实现495～550的分频比,总体功耗约17.4m W。最后基于SMIC 55工艺,独立完成了频率综合所有电路和版图的设计,包括压控振荡器,鉴频鉴相器、分频器、电荷泵、环路滤波器及其他电路模块,最终的芯片面积为1.05mm*0.6mm。经过后仿真,得到其功耗约33m W,锁定时间小于4μs,经过噪声拟合,最终得到的相位噪声约为-103d Bc/Hz@500k Hz,-105.9d Bc/Hz@1MHz,-123d Bc/Hz@10MHz,能够满足5G通信系统应用。
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