60GHz通信系统硅基频率综合器关键技术研究与芯片设计

发布时间：2021-11-05 16:56

　　60GHz通信技术是近年来无线通信领域研究的热点,该技术可广泛应用于无线个域网、影音信号传输、无线USB等短距离高速率数据传输业务。目前,国内外各大标准化组织已提出了各种60GHz通信标准,如ECMA-387、IEEE-802.15.3c、IEEE-802.11aj等,规定了相应的载波频率、信道带宽等关键技术指标。基于以上标准的收发机系统和集成电路设计已经成为相关领域的研究热点。频率综合器作为收发机系统的重要组成部分,其性能直接影响系统的传输速率与误码率。因此,研究和设计应用于60GHz通信系统的频率综合器具有重要理论意义和应用价值。本文基于CMOS工艺,对应用于60GHz通信系统的频率综合器关键技术进行了研究。在研究与分析的基础上,设计了频率综合器中的关键模块电路,包括压控振荡器、分频器、鉴频鉴相器、电荷泵、锁相环和倍频器,并进行了流片与测试验证。本文讨论了锁相环频率综合器的结构及原理,对锁相环的稳定性和频率综合器相位噪声的组成进行了分析。基于60GHz滑动中频收发机系统的需求,提出48GHz频率综合器的系统级设计方案,并建立了频率综合器的行为级模型。基于行为级模型对频率综合器进行相... 

【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

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【学位级别】：博士

【部分图文】：

电荷泵锁相环相位裕度最大值与电容比b的函数关系曲线

东南大学博士学位论文56其输出频率范围为23.9~25GHz，1MHz频偏处相位噪声小于101dBc/Hz。由仿真结果可知，该初始设计在输出频率范围方面尚未达到24~26GHz的预期指标。其主要原因是：可变电容模块的容值变化范围过校初始设计中可变电容模块的容值和品质因数曲线如图3-24所示，其实际的品质因数最小值为5，最大容值为47fF，最小容值为17.8fF。而最大/最小容值比约为2.7，低于预估值。图3-23压控振荡器初始设计仿真结果容值品质因数品质因数容值(fF)VTUNE(V)图3-24压控振荡器初始设计可变电容容值及品质因数曲线为了获得更宽的调谐范围，需要使用变容范围更大的可变电容。如图3-17所示，增大AMOS管的尺寸，可获得更大的变容范围，但品质因数会降低，进而降低谐振回路的品质因数QT。由3.3.2中振荡器相位噪声模型的分析可知，相位噪声与QT成反比。理论上，为了提高相位噪声性能，应尽量使QT取最大值。因此，单纯地使用变容范围更大的AMOS管并不是扩展频率调谐范围最好的解决方式。

第3章毫米波压控振荡器研究与设计61图3-31优化后的压控振荡器输出频率仿真曲线图3-32优化后的压控振荡器1MHz频率偏移处相位噪声仿真曲线3.4.4版图设计与场-图联合仿真24GHz压控振荡器电路版图如图3-33所示。该电路使用65nm低功耗CMOS工艺设计，核心部分面积为220×315μm2。本文所设计的压控振荡器为差分结构，在版图设计时应尽可能保持元件、连线的对称布局，以保证输出信号的对称性。由图3-16中振荡器的电路结构可见，电路中使用的成对元件较多，包括PMOS管、NMOS管、可变电容和电容阵列，且电感也是对称结构，在进行版图布局时易于保证对称性。需要注意的是，调谐电压VTUNE会与振荡器的节点A发生交叉，如图3-34(a)所示。该交叉会在VTUNE与A点间引入一个寄生电容，使振荡信号耦合到直流信号上，破坏版图以及输出信号的对称性，甚至会引起相位噪声的恶化。为了降低信号耦合带来的影响，在本电路的版图设计中，VTUNE信号线使用了0.1μm的窄

【参考文献】：
期刊论文
[1]60GHz毫米波无线通信技术标准综述[J]. 彭晓明,卓兰.  信息技术与标准化. 2012(12)
[2]60GHz毫米波无线通信技术标准研究[J]. 卓兰,郭楠.  信息技术与标准化. 2011(11)

博士论文
[1]基于CMOS工艺的射频毫米波锁相环集成电路关键技术研究[D]. 刘法恩.东南大学 2015

硕士论文
[1]低电压低功耗鉴频鉴相器与电荷泵的设计[D]. 汪伟江.东南大学 2016



本文编号：3478176