2.4GHz動(dòng)態(tài)CMOS分頻器的設(shè)計(jì)
關(guān)鍵詞：鎖相環(huán)；雙模前置分頻器；源極耦合邏輯； 單相時(shí)鐘；擴(kuò)展單相時(shí)鐘
中圖分類號(hào)：TN772 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—6977(2006)01—0015—03
1 引言
分頻器是鎖相環(huán)電路中的基本單元．是鎖相環(huán)中工作在最高頻率的單元電路。傳統(tǒng)分頻器常用先進(jìn)的高速工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)。如雙極、GaAs、SiGe工藝等。隨著CMOS器件的尺寸越來越小，可用深亞微米的CMOS工藝制造高速分頻器。由于CMOS器件的價(jià)格低廉，因而高速CMOS分頻器有著廣闊的市場(chǎng)前景。筆者給出1種利用O.6μvmCMOS工藝制造的2.4GHz動(dòng)態(tài)前置雙模分頻器，該分頻器的最高輸入頻率可以達(dá)到3GHz。
2 分頻電路的結(jié)構(gòu)
鎖相環(huán)及前置分頻器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。VCO的輸出直接與分頻器第1級(jí)÷2電路相連，這是整個(gè)分頻器中頻率最高的部分，也是最難設(shè)計(jì)的部分。接著信號(hào)進(jìn)入÷4／5雙模前置分頻器，該部分電路的頻率仍然較高，模數(shù)的選擇由靜態(tài)的吞除計(jì)數(shù)器控制。÷4／5電路的原理如圖2所示，當(dāng)MC=1時(shí)，分頻器模為4，反之為5。
3 單元電路的設(shè)計(jì)
3.1 第1級(jí)÷2電路
3.1.1 3種典型的分頻電路
在鎖相環(huán)中．分頻器第1級(jí)頻率最高．近幾年國外普遍采用的高速CMOS分頻電路主要有3種。第1種是靜態(tài)SCL電路(見圖3)，是由ECL電路結(jié)構(gòu)演變的，相比傳統(tǒng)的靜態(tài)分頻器，由于電路的擺幅較小，因而電路的工作速度快；第2種是動(dòng)態(tài)TSPC電路，采用單相時(shí)鐘(TSPC)電路技術(shù)，使構(gòu)成分頻電路的元件數(shù)目減少，從而提高電路的工作速度，同時(shí)這種電路功耗極低，經(jīng)典結(jié)構(gòu)圖如圖4(a)所示的9管DFF。J.Navarro在TSPC技術(shù)的基礎(chǔ)上于1997年提出了E-TSPC技術(shù)；第3種是注鎖式(injected-locked)電路，由于要使用電感器，因而它的體積過大且工藝難度高，很少被廣泛使用。
典型的SCL2分頻器包括尾電流源和源負(fù)載在內(nèi)需要20個(gè)晶體管(見圖3)，晶體無法做到小尺寸，所以輸入電容很大甚至超過管本身的輸入電容，導(dǎo)致要在VCO與SCL分頻電路加緩沖；另外，前2級(jí)分頻器工作在很高的頻率，會(huì)耗散總功率的一半。因而對(duì)SCL分頻器而言鎖相環(huán)總功耗很高。單相時(shí)鐘(TSPC)電路除具有很高的頻率外，晶體管的數(shù)量少且尺寸小，所以功耗極低，因而經(jīng)常在前置分頻器中采用。TSPC分頻器的不足是噪聲性能不佳，因?yàn)槭莿?dòng)態(tài)的單端結(jié)構(gòu)，所以受噪聲的影響比差分的SCL電路容易。具體采用哪種電路結(jié)構(gòu)應(yīng)視情況而定。在O.6um工藝參數(shù)的條件下，SCL÷2分頻電路的最高工作頻率僅為910MHz，功耗為12mW；筆者采用0.6um工藝設(shè)計(jì)的TSPC÷2分頻電路在電源電壓為5V時(shí)的頻率最高可達(dá)3GHz，功耗僅有2mW。
3.1.2 具體電路
設(shè)計(jì)的第1級(jí)÷2分頻器的結(jié)構(gòu)如圖4(b)所示。它是傳統(tǒng)TSPC的改進(jìn)型．此電路改變了信號(hào)回路．目的是為了降低內(nèi)部節(jié)點(diǎn)電容，提高工作速度。經(jīng)過對(duì)每個(gè)晶體管尺寸的調(diào)整，電路工作頻率范圍為2GHz-3GHz。與SCL相比，TSPC僅有9個(gè)晶體管，且柵長(zhǎng)可取到最小值(0.6um)。通過對(duì)源電流的仿真可以看到電路結(jié)構(gòu)緊密，晶體管少。電路功耗極低。
3.2 雙模前置分頻電路的設(shè)計(jì)
圖5(a)所示為÷2/3雙模前置分頻電路的邏輯。采用同步工作方式，具體電路如圖5(b)所示。該電路采用E-TSPC技術(shù)，相比傳統(tǒng)的門電路，雖增加了2個(gè)晶體管，但開關(guān)速度更快；并且在單阱工藝條件下．電路不受體效應(yīng)影響。由于采用TSPC技術(shù)，柵長(zhǎng)仍然為0.6um。對(duì)于隨后1級(jí)的÷2和÷32電路而言，因?yàn)楣ぷ黝l率已大大降低?？晒ぷ髟诋惒椒绞剑灾恍鑼D4(b)所示的電路作為÷2單元串聯(lián)起來即可。經(jīng)仿真表明，電路符合設(shè)計(jì)要求。
4 仿真波形與電路特性
采用CMSC公司的0.6um n阱雙層金屬CMOS模型進(jìn)行了電路的仿真和模擬。仿真工具是Syn-opsys公司的Hspice和Agilent公司的ADS。
分頻器輸入信號(hào)的最小幅度是在正確輸出的前提下獲得的．也叫輸入信號(hào)靈敏度。隨著電源電壓的下降，分頻器工作的最高頻率下降得很快，這可以看作在低壓環(huán)境下TSPC相對(duì)SCL的劣勢(shì)。仿真結(jié)果表明輸入幅度至少需要1．2V才能使電路工作在3GHz．而工作頻率在2．4GHz左右時(shí)．僅需不到200mV的信號(hào)幅度,這說明該電路可以用在2．4GHz ISM頻段。
表1列出本分頻器參數(shù)與幾篇文獻(xiàn)介紹的分頻器參數(shù)的對(duì)比．所有的分頻器均采用CMOS工藝。比較的主要參數(shù)是工藝、最高輸入頻率、電源電壓和功耗。
5 結(jié)束語
利用O．6μm CMOS工藝設(shè)計(jì)了一種采用TSPC和E-TSPC技術(shù)的動(dòng)態(tài)雙模前置分頻器。可以工作在2．4GHz ISM頻段，最高工作頻率達(dá)到3GHz。分頻器工作在高頻率時(shí)的電容寄生效應(yīng)小。電源電壓為5V時(shí)，功耗約為8mW。頻率為2．4GHz時(shí)，輸入信號(hào)幅度僅為190mV，可以應(yīng)用在2．4GHz ISM頻段的鎖相環(huán)或頻率合成器電路中。
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