2.4GHz动态CMOS分频器的设计

2006-09-06 15:55:03来源: 国外电子元器件

1 引言
  分频器是锁相环电路中的基本单元.是锁相环中工作在最高频率的单元电路。传统分频器常用先进的高速工艺技术实现。如双极、GaAs、SiGe工艺等。随着CMOS器件的尺寸越来越小,可用深亚微米的CMOS工艺制造高速分频器。由于CMOS器件的价格低廉,因而高速CMOS分频器有着广阔的市场前景。笔者给出1种利用O.6μvmCMOS工艺制造的2.4GHz动态前置双模分频器,该分频器的最高输入频率可以达到3GHz。

2 分频电路的结构
  锁相环及前置分频器的结构如图1所示。VCO的输出直接与分频器第1级÷2电路相连,这是整个分频器中频率最高的部分,也是最难设计的部分。接着信号进入÷4/5双模前置分频器,该部分电路的频率仍然较高,模数的选择由静态的吞除计数器控制。÷4/5电路的原理如图2所示,当MC=1时,分频器模为4,反之为5。


3 单元电路的设计
3.1 第1级÷2电路
3.1.1 3种典型的分频电路
  在锁相环中.分频器第1级频率最高.近几年国外普遍采用的高速CMOS分频电路主要有3种。第1种是静态SCL电路(见图3),是由ECL电路结构演变的,相比传统的静态分频器,由于电路的摆幅较小,因而电路的工作速度快;第2种是动态TSPC电路,采用单相时钟(TSPC)电路技术,使构成分频电路的元件数目减少,从而提高电路的工作速度,同时这种电路功耗极低,经典结构图如图4(a)所示的9管DFF。J.Navarro在TSPC技术的基础上于1997年提出了E-TSPC技术;第3种是注锁式(injected-locked)电路,由于要使用电感器,因而它的体积过大且工艺难度高,很少被广泛使用。


  典型的SCL2分频器包括尾电流源和源负载在内需要20个晶体管(见图3),晶体无法做到小尺寸,所以输入电容很大甚至超过管本身的输入电容,导致要在VCO与SCL分频电路加缓冲;另外,前2级分频器工作在很高的频率,会耗散总功率的一半。因而对SCL分频器而言锁相环总功耗很高。单相时钟(TSPC)电路除具有很高的频率外,晶体管的数量少且尺寸小,所以功耗极低,因而经常在前置分频器中采用。TSPC分频器的不足是噪声性能不佳,因为是动态的单端结构,所以受噪声的影响比差分的SCL电路容易。具体采用哪种电路结构应视情况而定。在O.6um工艺参数的条件下,SCL÷2分频电路的最高工作频率仅为910MHz,功耗为12mW;笔者采用0.6um工艺设计的TSPC÷2分频电路在电源电压为5V时的频率最高可达3GHz,功耗仅有2mW。


3.1.2 具体电路
  设计的第1级÷2分频器的结构如图4(b)所示。它是传统TSPC的改进型.此电路改变了信号回路.目的是为了降低内部节点电容,提高工作速度。经过对每个晶体管尺寸的调整,电路工作频率范围为2GHz-3GHz。与SCL相比,TSPC仅有9个晶体管,且长可取到最小值(0.6um)。通过对源电流的仿真可以看到电路结构紧密,晶体管少。电路功耗极低。

3.2 双模前置分频电路的设计
  
图5(a)所示为÷2/3双模前置分频电路的逻辑。采用同步工作方式,具体电路如图5(b)所示。该电路采用E-TSPC技术,相比传统的门电路,虽增加了2个晶体管,但开关速度更快;并且在单阱工艺条件下.电路不受体效应影响。由于采用TSPC技术,栅长仍然为0.6um。对于随后1级的÷2和÷32电路而言,因为工作频率已大大降低。可工作在异步方式,所以只需将图4(b)所示的电路作为÷2单元串联起来即可。经仿真表明,电路符合设计要求。


4 仿真波形与电路特性
  
采用CMSC公司的0.6um n阱双层金属CMOS模型进行了电路的仿真和模拟。仿真工具是Syn-opsys公司的Hspice和Agilent公司的ADS。

  分频器输入信号的最小幅度是在正确输出的前提下获得的.也叫输入信号灵敏度。随着电源电压的下降,分频器工作的最高频率下降得很快,这可以看作在低压环境下TSPC相对SCL的劣势。仿真结果表明输入幅度至少需要1.2V才能使电路工作在3GHz.而工作频率在2.4GHz左右时.仅需不到200mV的信号幅度,这说明该电路可以用在2.4GHz ISM频段。

  表1列出本分频器参数与几篇文献介绍的分频器参数的对比.所有的分频器均采用CMOS工艺。比较的主要参数是工艺、最高输入频率、电源电压和功耗。


5 结束语
  利用O.6μm CMOS工艺设计了一种采用TSPC和E-TSPC技术的动态双模前置分频器。可以工作在2.4GHz ISM频段,最高工作频率达到3GHz。分频器工作在高频率时的电容寄生效应小。电源电压为5V时,功耗约为8mW。频率为2.4GHz时,输入信号幅度仅为190mV,可以应用在2.4GHz ISM频段的锁相环或频率合成器电路中。

关键字:电路  功耗  前置  频率

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