应用于MB-OFDM UWB系统的频率综合器的研究与设计

论文摘要

本文以应用于多边带频分复用超宽带无线接收机的频率综合器为出发点,从系统结构、环路优化和电路级别三个方面对频率综合器的设计进行了深入的研究。首先回顾了超宽带无线通信系统的发展历史,对目前得到众多半导体设计公司支持的通信协议——多边带频分复用分别作了基本的介绍,推导了该协议对于频率综合器的性能要求,对各种系统结构进行分析和对比,并在此基础上提出了合并高频除法器的系统结构,减少了系统的功耗,此外在频率综合器中加入了无源多相位滤波器,提高了系统的频谱杂散性能。接着介绍了基于最大相位裕度的开环设计方法的设计流程,分析了锁相环路中电荷泵、环路滤波器、压控振荡器和除法器以及外部晶体振荡器的噪声贡献,并对各个模块的噪声模型进行建模,最后指出通过选择合适的环路带宽,使所有的噪声贡献之和达到最小。随后详细讲述了频率综合器相关模块的电路设计,主要包括鉴频鉴相器和电荷泵、压控振荡器、除法器、无源多相位滤波器、高速频率选择器和单边带混频器这六个部分。其中,压控振荡器和单边带混频器是电路设计的关键部分。对于压控振荡器,比较了两种基本结构的优缺点,同时对压控振荡器的噪声进行了分析,指出了优化相位噪声性能的设计思路。对于单边带混频器,从跨导级的非线性和输入信号的正交失配两个不同的角度,定量分析了各自对于频率综合器频谱杂散性能的影响,给出了具有实际设计指导意义的结论。最后采用捷智0.18μm CMOS射频工艺实现了一个应用于多边带频分复用超宽带无线接收机的频率综合器,给出了频率综合器流片后的测试结果,并对这些测试结果进行了分析,为进一步的研究工作提供了参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 论文的主要工作和贡献
• 1.3 论文的组织安排
• 第二章 MB-OFDM UWB频率综合器体系结构
• 2.1 频率综合器结构
• 2.1.1 直接模拟频率综合器
• 2.1.2 直接数字频率综合器
• 2.1.3 锁相环路频率综合器
• 2.1.3.1 整数分频频率综合器
• 2.1.3.2 小数分频频率综合器
• 2.1.3.3 数字频率综合器
• 2.1.4 延迟环路频率综合器
• 2.1.5 频率综合器的结构比较
• 2.2 频率综合器系统指标的确定
• 2.2.1 相位噪声
• 2.2.2 频谱杂散（spurs）
• 2.2.3 切换时间
• 2.3 频率综合器系统结构分析
• 2.3.1 多锁相环路结构
• 2.3.2 单边带混频结构
• 2.3.3 基于延迟锁相环路的结构
• 2.3.4 基于分频器的双锁相环结构
• 2.3.5 频率综合器系统结构小结
• 2.3.6 频率综合器系统结构的选择与优化
• 第三章 锁相环路设计
• 3.1 锁相环路参数设计
• 3.2 相位噪声优化设计
• 3.2.1 频率综合器和锁相环路相位噪声的关系
• 3.2.2 锁相环路相位噪声分析
• 3.2.3 锁相环路模块的噪声提取
• 3.2.3.1 电荷泵电流的噪声提取
• 3.2.3.2 环路滤波器的等效输出噪声功率
• 3.2.3.3 压控振荡器的相位噪声提取
• 3.2.3.4 除法器的相位噪声提取
• 3.3 锁相环路设计流程总结
• 第四章 频率综合器电路设计
• 4.1 鉴频鉴相器
• 4.1.1 基本原理与电路设计
• 4.1.2 晶体管尺寸的选取
• 4.1.2.1 反相器尺寸的考虑
• 4.1.2.2 TSPC锁存器尺寸的考虑
• 4.1.2.3 传输门和或非门晶体管尺寸和电容大小
• 4.1.2.4 仿真结果
• 4.2 电荷泵设计
• 4.2.1 电荷泵基本原理和分析
• 4.2.2 电荷泵结构选择
• 4.2.2.1 几种常用的单端输出电荷泵的结构及特点
• 4.2.2.2 差分CP的结构和特点
• 4.2.2.3 本设计中电荷泵结构
• 4.2.2.4 电流调节单元
• 4.2.2.5 电荷泵中运算放大器的设计
• 4.2.3 仿真结果
• 4.3 单边带混频器设计
• 4.3.1 失配分析
• 4.3.2 非线性分析
• 4.3.3 端口谐波分量分析
• 4.3.4 晶体管尺寸
• 4.3.5 单边带混频器仿真结果
• 4.4 频率选择器设计
• 4.5 多相滤波器
• 4.5.1 基本原理
• 4.5.2 多相位滤波器结构选择
• 4.5.3 无源多相位滤波器电路设计
• 4.5.3.1 无源多相位滤波器带宽分析
• 4.5.3.2 无源多相位滤波器阶数分析
• 4.5.3.3 电路设计参数
• 4.5.3.4 仿真结果分析
• 4.6 压控振荡器
• 4.6.1 基本原理
• 4.6.2 互补型和NMOS（或PMOS）-Only结构的比较
• 4.6.2.1 振荡幅度
• 4.6.2.2 起振条件
• 4.6.2.3 电压裕度
• 4.6.2.4 相位噪声
• 4.6.3 电感电容压控振荡器相位噪声分析
• 4.6.3.1 谐振网络
• 4.6.3.2 尾电流源和交叉耦合管
• 4.6.4 正交压控振荡器结构的选择
• 4.6.5 正交压控振荡器电路设计
• 4.6.5.1 正交压控振荡器数字控制电容阵列
• 4.6.5.2 正交压控振荡器电路设计
• 4.6.6 仿真结果
• 4.6.6.1 频率范围仿真
• 4.6.6.2 相位噪声仿真
• 4.6.6.3 相位误差仿真
• 第五章 总结与展望
• 5.1 论文总结
• 5.2.展望
• 附录 环路参数设计和相位噪声估计的MATLAB源程序
• 参考文献
• 致谢