CMOS单片集成的Σ-Δ小数频率合成器设计

论文摘要

随着集成电路制造工艺和无线通信技术的迅速发展,实现全集成、多制式、低成本的无线收发器已成必然趋势。频率合成器作为无线收发器中的核心单元电路,是决定收发器性能好坏的关键因素,也是实现全集成无线收发器的主要难点。Σ-Δ小数频率合成器由于很好地解决了环路带宽与信道间距之间的矛盾,具有频率切换速度快、精度高、噪声小等优点,引起了人们越来越多的关注。本文简要回顾了无线通信系统中的频率合成技术,对高性能Σ-Δ小数频率合成器的设计方法进行了深入的研究。针对传统分频器存在的缺陷,设计实现了一种新型的CMOS高速多模可编程分频器,与传统分频器相比,该分频器具有结构简单、可重用性好等诸多优点。为了解决无源滤波器中电容占用面积太大、难以集成的难题,提出了一种电容倍乘方法,有效减小了电容的面积,实现了三阶无源滤波器的片上集成。本文对不同类型的Σ-Δ调制器的噪声成形效果进行了分析与比较,设计了一种输出为三位的三阶数字Σ-Δ调制器对小数分频比进行调制,改善了频率合成器的带内噪声和杂散性能,获得了比较满意的结果。本文在详细分析压控振荡器的相噪声特性的基础上,总结出集成平面螺旋电感和变容管的制作方法,提出了一些改进措施,改善了它们的Q值,并采用CMOS工艺,实现了一个差分型、低相噪声LC压控振荡器。另外,本文还讨论了频率合成器中其他重要单元电路的设计方法,如电荷泵、相频检测器、锁定检测电路等等。本文在上述方法的研究基础上,完成了2.4 GHz单片集成的Σ-Δ小数频率合成器的设计,并采用0.25μm CMOS工艺流片验证。测试结果表明,本文设计的频率合成器的技术指标均达到了设计要求,可适用于无绳电话、Home RF、WLAN、蓝牙、Zigbee等多种基于2.4 GHz无线通信标准的无线通信系统。本文的主要创新点如下:采用CMOS工艺,设计实现了一种新型的高速多模可编程分频器,克服了频率合成器的速度瓶颈;提出了一种电容倍乘方法,解决了无源滤波器中大电容难以集成的问题;针对多模可编程分频器的要求,实现了一个输入为20位、输出为3位的三阶数字Σ-Δ调制器。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 研究现状与存在的问题
• 1.3 本文的主要研究工作及贡献
• 1.4 论文的结构安排
• 第二章 无线通信系统中的频率合成技术
• 2.1 频率合成技术回顾
• 2.2 基于锁相环的频率合成技术
• 2.3 小数频率合成
• 2.4 消除小数频率合成器输出杂散的方法
• 2.5 频率合成器的噪声特性
• 2.6 小结
• 第三章 Σ-Δ小数频率合成器
• 3.1 锁相环的基本理论
• 3.2 Σ-Δ小数频率合成器的建模方法
• 3.3 Σ-Δ调制器
• 3.4 2.4GHZ Σ-Δ小数频率合成器
• 3.5 小结
• 第四章 鉴相器与电荷泵
• 4.1 鉴相器
• 4.2 电荷泵
• 4.3 小结
• 第五章 RF 分频器
• 5.1 双模预分频器实现的RF 分频器
• 5.2 多模可编程RF 分频器
• 5.3 小结
• 第六章 压控振荡器
• 6.1 压控振荡器的相噪声理论
• 6.2 平面螺旋电感
• 6.3 变容管
• 6.4 LC 压控振荡器电路设计
• 6.5 小结
• 第七章 滤波器设计及片上集成方法
• 7.1 滤波器设计
• 7.2 滤波器的优化
• 7.3 电容倍乘方法
• 7.4 小结
• 第八章 测试结果及结论
• 8.1 测试结果
• 8.2 结论
• 8.3 进一步的工作
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间公开发表的论文
• 致谢
• 发表意见书
• 博硕士学位论文同意发表声明