全单片集成的多模CMOS正交频率综合器的研究

论文摘要

无线通信技术的快速发展，给人们的日常生活带来了巨大的便利，并促使更多的无线通信标准被相继发布出来。为了给消费者提供更大的便利，多模无线通信系统的研究与实现成为无线数据通信技术发展中的一个新的亮点。作为多模无线射频发接机中的重要组成部分，频率综合器可以为不同标准的无线发接机提供稳定的、可编程的、低噪声本地振荡信号(LO信号)，其性能决定或影响着整个无线收发系统的性能。本文以WCDMA、Bluetooth以及IEEE 802.11a／b／g五种无线通信标准为目标，系统地研究了多模频率综合器的设计与实现。首先，本文系统研究了频率综合器中的非理想因素对无线通信系统的影响，并通过理论计算得出多模通信系统对频率综合器的指标要求，进而探讨了多模频率综合器的实现方案。其次，以设计、仿真和测试结果为基础，对频率综合器比较流行的三种体系结构，即半频式频率综合器、等频式频率综合器以及倍频式频率综合器各方面的优缺点进行了讨论和分析，从而确定出一个最合适的体系结构用于高性能、全集成正交输出的频率综合器的实现。接着，在频率综合器系统级设计方面，介绍了一种常用的基于相位裕度最优化的环路参数设计方法，分析了这种方法存在的不足；提出了一种全新的频率综合器系统级设计方法，并以这种方法为基础分析了环路参数对频率综合器性能的影响，从而总结了环路参数的优化方法。然后，提出了分析压控振荡器品质因子的简单模型，通过理论分析与计算，得到了限制高频宽带压控振荡器相位噪声性能的主要因素，澄清了以往人们在这一问题上的片面认识。利用计算得到的品质因子计算了影响压控振荡器相位噪声性能的各个噪声源贡献的噪声，作为优化压控振荡器相位噪声性能的基础。以这一理论分析为指导，采用0.18um RFCMOS工艺设计了一个用于IEEE 802.11a／b／g以及Bluetooth的压控振荡器，测试表明在不增大压控振荡器功耗和版图面积的情况下，仅仅通过对电路结构的改进，就使得压控振荡器3MHz频偏处的相位噪声改善了2.5dB，获得了与理论分析相一致的结果。最后，根据前面所讨论的结果，完成了一种基于0.18um RFCMOS工艺的、用于IEEE 802.11b／g以及Bluetooth的整数N频率综合器的设计、实现与测试。其中重点分析了电荷泵对频率综合器环路性能的影响，以及相位切换型频率分频器的设计细节。之后就频率综合器向IEEE 802.11a协议拓展的能力进行了讨论。接着又介绍了一种基于0.18um RFCMOS工艺的、用于WCDMA的分数N频率综合器的设计与实现。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 前言
• 1.1 课题背景
• 1.2 多模无线射频前端
• 1.3 论文的主要工作和创新
• 1.4 论文的组织结构
• 参考文献
• 第二章 多模频率综合器的体系结构与系统指标定义
• 2.1 频率综合器的非理想因素对射频通信系统性能的影响
• 2.1.1 相位噪声对射频通信系统的影响
• 2.1.2 频谱杂散对射频通信系统的影响
• 2.2 频率综合器的指标定义
• 2.2.1 蓝牙（Bluetooth）
• 2.2.2 宽带码分多址（WCDMA）
• 2.2.3 IEEE802.11a/g
• 2.2.4 IEEE802.11b
• 2.3 多模频率综合器体系结构的讨论
• 2.4 多模频率综合器的系统指标
• 2.4.1 用于WCDMA发接机的频率综合器系统指标
• 2.4.2 用于WLAN/蓝牙发接机的频率综合器系统指标
• 2.5 参考文献
• 第三章 频率综合器体系结构的选择
• 3.1 频率综合器的仿真模型
• 3.1.1 连续时间线性相位域模型
• 3.1.2 半频域仿真模型
• 3.2 半频式频率综合器
• 3.2.1 频率综合器的体系结构分析
• 3.2.2 设计实例
• 3.3 等频式频率综合器
• 3.3.1 频率综合器的体系结构分析
• 3.3.2 设计实例
• 3.4 倍频式频率综合器
• 3.4.1 频率综合器的体系结构分析
• 3.4.2 设计实例
• 3.5 总结
• 3.6 参考文献
• 第四章 多模频率综合器的系统级设计与优化
• 4.1 传统的频率综合器系统级设计方法
• 4.1.1 传统的频率综合器设计流程
• 4.1.2 Dean的系统级设计方法
• 4.2 改进的频率综合器的系统级设计方法
• 4.3 频率综合器的系统级优化
• 23的确定'>4.3.1 电荷泵电流、α以及t₂₃的确定
• 4.3.2 环路参数对锁相环相位噪声性能的影响
• 4.3.3 改进的频率综合器系统设计流程
• 4.4 总结
• 4.5 参考文献
• 第五章 高频宽带全集成LC压控振荡器的设计与实现
• 5.1 压控振荡器品质因子的计算
• 5.1.1 谐振器的构成
• 5.1.2 谐振器的品质因子
• 5.1.3 压控振荡器的品质因子
• 5.2 对压控振荡器相位噪声的优化
• 5.2.1 宽带压控振荡器品质因子的改善
• 5.2.2 偏置电路对压控振荡器相位噪声性能的影响及其改进
• 5.2.3 压控振荡器的相位噪声
• 5.3 芯片验证
• 5.4 参考文献
• 第六章 多模频率综合器的设计与实现
• 6.1 用于IEEE 802.11a/b/g和Bluetooth的整数N频率综合器
• 6.1.1 系统级设计
• 6.1.2 电路设计
• 6.1.3 系统级仿真
• 6.1.4 版图与测试
• 6.1.5 频率综合器的频段拓展
• 6.2 用于WCDMA的分数N频率综合器
• 6.2.1 系统级设计
• 6.2.2 电路设计
• 6.2.3 系统级仿真与版图
• 6.3 参考文献
• 第七章 结论与展望
• 致谢