应用于NB-IoT全数字锁相环的宽带高精度数控振荡器设计
发布时间：2021-08-29 08:37
随着通信技术和半导体技术的发展,信息的传递越来越便捷,现代通信使人与人之间的联系十分紧密,万物互联互通成为了“物联网”的发展目标。窄带物联网是一种发展迅速的物联网协议,可以在LTE网络上升级和部署,对射频收发机和频率合成器提出了更高的要求。在先进工艺条件下,宽带全数字锁相环更适合于物联网应用场景。数控振荡器作为全数字锁相环频率合成器的核心模块,对整个系统的性能具有重要影响。因此宽带高精度数控振荡器的设计具有重要的理论意义和工程应用价值。本文对全数字锁相环频率合成器原理进行阐述,分析NB-Io T协议并确定了数控振荡器的设计指标。采用40nm CMOS工艺设计了分别工作在3122-4400MHz和4194-5364MHz的低频段数控振荡器和高频段数控振荡器。为了提高数控振荡器中电容阵列的精度,本文提出了一种引入中间节点的电容阵列设计,并优化了电容阵列的线性度。数控振荡器工作在0.9V电源电压下,使用了互补差分耦合LC振荡器的结构,为了适应低电压工作环境并改善相位噪声取消了尾电流源,加入了反相器链缓冲器,频率调节范围相比指标要求留有了一定的裕量。文中给出了详细的电路设计、版图设计和后仿真结...
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
MOS可变电容仿真结果
第3章LC数控振荡器的电路设计与前仿真3.3.1.2MOS变容管在大信号下的非线性问题由于MOS变容管直接和数控振荡器的输出相连，控制电压为栅极电压和数控振荡器输出信号之差，当数控振荡器的输出幅度较大时，控制电压很容易进入线性区域，使MOS电容在一个信号周期中的电容值产生漂移，进而导致数控振荡器的输出频率产生漂移。有些研究中使用了MOS变容管的线性化技术[36]或反向并联MOS变容管提高线性度和调节精度的技术[37]，但是由于线性区域并不是完全对称的，背靠背MOS电容结构的电容依然不平坦。控制信号port1port2dcfeeddcfeedVpVdd-VpC1C2图3.8背靠背MOS变容管在大信号下的电容仿真电路图对背靠背MOS变容管在大信号下的电容仿真电路图如图3.8所示，与小信号仿真相比，加入了两个电压源模拟振荡器在一个周期内的振荡，假设振荡器以Vdd/2为工作点，最大振幅为满摆幅Vdd，当振荡器正极输出电压为Vp时，振荡器的负极输出电压为Vm=VddVp。将其作为直流偏置，通过理想电感馈入电路，仿真在不同控制电压条件下一个振荡周期中MOS变容管的电容，仿真结果如图3.9所示。图3.9背靠背MOS变容管在大信号下的电容仿真结果图3.9中为左边为背靠背MOS变容管的等效并联电阻，右边为等效并联电容，由图中可知在振荡器的一个满摆幅振荡周期内，等效电阻和等效电容的波动十分剧烈，并联等效电容33
第3章LC数控振荡器的电路设计与前仿真图3.12基于MIM电容和MOS开关的电容单元在大信号下的电容仿真结果由图3.12中的仿真结果可知，基于MIM电容和MOS开关的电容单元在大信号下的稳定性非常好，等效并联电容只受控制电压控制，和振荡器的输出电压无关，和图3.9中背靠背MOS电容的仿真结果对比，基于MIM电容和MOS开关的电容单元具有更大的等效并联电阻，对谐振回路Q值影响更校控制信号是数字信号，通常取0或1，为了分析电容单元对控制信号的敏感性，对控制信号进行参数扫描，当控制信号大于0.6时，电容单元工作稳定工作在高电容状态；当控制信号小于0.6时则工作在低电容状态。这使得电容单元对控制信号上的噪声不敏感，相比于压控振荡器会受到调谐电压上噪声的影响，数控振荡器对噪声的抵抗能力更高。3.3.3引入中间节点的电容阵列为了进一步提高电容阵列的分辨率，本文提出了一种在等权重控制的电容阵列中引入中间节点的方法，使得电容阵列的分辨率提高了四倍，同时减小了版图布局布线难度，显著降低了寄生电容。引入中间节点的电容阵列结构框图如图3.13所示，电容阵列是等权重控制的，因此所有电容单元都是完全一致的，电容单元分为两组UA1-UAn和UB1-UBn，共2n个。中间节点由电阻R接地，电阻的作用是提供电流通路，避免电荷在中间节点上积累。假设每个电容单元在低电容状态的电容值为Cu，高电容状态的电容值为Cu+C，当所有电容单元都工作在低电容状态时，电容阵列的总电容Ctot为Ctot,min=n2Cu(3.6)35
【参考文献】：
期刊论文
[1]窄带物联网（NB-IOT）商业应用探索[J]. 童桦. 信息通信. 2017(03)
[2]NB-IoT的产生背景、标准发展以及特性和业务研究[J]. 戴国华,余骏华. 移动通信. 2016(07)
[3]应用于全数字锁相环的高性能数控振荡器设计[J]. 罗宁,陈原聪,赵野. 微电子学与计算机. 2015(12)
博士论文
[1]WSN低功耗射频接收关键技术研究与芯片设计[D]. 王曾祺.东南大学 2017
[2]快速锁定全数字锁相环的分析与设计[D]. 于光明.清华大学 2011
[3]全数控CMOS LC振荡器的研究与设计[D]. 王少华.清华大学 2007
硕士论文
[1]面向综合的数控振荡器与全数字锁相环研究与设计[D]. 代睿.西安电子科技大学 2017
[2]宽带全数字锁相环中数控振荡器设计[D]. 韩晖翔.复旦大学 2013
[3]应用于GSM收发机的数字控制振荡器（DCO）设计[D]. 戴煊.上海交通大学 2010
本文编号：3370301
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
MOS可变电容仿真结果
第3章LC数控振荡器的电路设计与前仿真3.3.1.2MOS变容管在大信号下的非线性问题由于MOS变容管直接和数控振荡器的输出相连，控制电压为栅极电压和数控振荡器输出信号之差，当数控振荡器的输出幅度较大时，控制电压很容易进入线性区域，使MOS电容在一个信号周期中的电容值产生漂移，进而导致数控振荡器的输出频率产生漂移。有些研究中使用了MOS变容管的线性化技术[36]或反向并联MOS变容管提高线性度和调节精度的技术[37]，但是由于线性区域并不是完全对称的，背靠背MOS电容结构的电容依然不平坦。控制信号port1port2dcfeeddcfeedVpVdd-VpC1C2图3.8背靠背MOS变容管在大信号下的电容仿真电路图对背靠背MOS变容管在大信号下的电容仿真电路图如图3.8所示，与小信号仿真相比，加入了两个电压源模拟振荡器在一个周期内的振荡，假设振荡器以Vdd/2为工作点，最大振幅为满摆幅Vdd，当振荡器正极输出电压为Vp时，振荡器的负极输出电压为Vm=VddVp。将其作为直流偏置，通过理想电感馈入电路，仿真在不同控制电压条件下一个振荡周期中MOS变容管的电容，仿真结果如图3.9所示。图3.9背靠背MOS变容管在大信号下的电容仿真结果图3.9中为左边为背靠背MOS变容管的等效并联电阻，右边为等效并联电容，由图中可知在振荡器的一个满摆幅振荡周期内，等效电阻和等效电容的波动十分剧烈，并联等效电容33
第3章LC数控振荡器的电路设计与前仿真图3.12基于MIM电容和MOS开关的电容单元在大信号下的电容仿真结果由图3.12中的仿真结果可知，基于MIM电容和MOS开关的电容单元在大信号下的稳定性非常好，等效并联电容只受控制电压控制，和振荡器的输出电压无关，和图3.9中背靠背MOS电容的仿真结果对比，基于MIM电容和MOS开关的电容单元具有更大的等效并联电阻，对谐振回路Q值影响更校控制信号是数字信号，通常取0或1，为了分析电容单元对控制信号的敏感性，对控制信号进行参数扫描，当控制信号大于0.6时，电容单元工作稳定工作在高电容状态；当控制信号小于0.6时则工作在低电容状态。这使得电容单元对控制信号上的噪声不敏感，相比于压控振荡器会受到调谐电压上噪声的影响，数控振荡器对噪声的抵抗能力更高。3.3.3引入中间节点的电容阵列为了进一步提高电容阵列的分辨率，本文提出了一种在等权重控制的电容阵列中引入中间节点的方法，使得电容阵列的分辨率提高了四倍，同时减小了版图布局布线难度，显著降低了寄生电容。引入中间节点的电容阵列结构框图如图3.13所示，电容阵列是等权重控制的，因此所有电容单元都是完全一致的，电容单元分为两组UA1-UAn和UB1-UBn，共2n个。中间节点由电阻R接地，电阻的作用是提供电流通路，避免电荷在中间节点上积累。假设每个电容单元在低电容状态的电容值为Cu，高电容状态的电容值为Cu+C，当所有电容单元都工作在低电容状态时，电容阵列的总电容Ctot为Ctot,min=n2Cu(3.6)35
【参考文献】：
期刊论文
[1]窄带物联网（NB-IOT）商业应用探索[J]. 童桦. 信息通信. 2017(03)
[2]NB-IoT的产生背景、标准发展以及特性和业务研究[J]. 戴国华,余骏华. 移动通信. 2016(07)
[3]应用于全数字锁相环的高性能数控振荡器设计[J]. 罗宁,陈原聪,赵野. 微电子学与计算机. 2015(12)
博士论文
[1]WSN低功耗射频接收关键技术研究与芯片设计[D]. 王曾祺.东南大学 2017
[2]快速锁定全数字锁相环的分析与设计[D]. 于光明.清华大学 2011
[3]全数控CMOS LC振荡器的研究与设计[D]. 王少华.清华大学 2007
硕士论文
[1]面向综合的数控振荡器与全数字锁相环研究与设计[D]. 代睿.西安电子科技大学 2017
[2]宽带全数字锁相环中数控振荡器设计[D]. 韩晖翔.复旦大学 2013
[3]应用于GSM收发机的数字控制振荡器（DCO）设计[D]. 戴煊.上海交通大学 2010
本文编号：3370301
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