LC压控振荡器及其预分频器的研究与设计

【摘要】无线传感网络（WirelessSensorNetworks，WSN）以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点在智能家居等领域得到广泛应用。由于它通常包含数量众多的传感器节点，而这些节点常采用电池供电，所以为其设计的片上系统（SystemOnChip，SOC）芯片必须具备低成本、低功耗的特点。而且，随着无线传感网络节点不断地微型化，对芯片集成度的要求也越来越高。近些年，随着工艺尺寸的不断缩小，芯片的密度、器件的速度以及电路处理信号的能力都在逐渐提高，推动了低成本、低功耗CMOS无线收发机的研究与开发。而压控振荡器（voltageControlledOscillator，VCO）和预分频器（prescaler）作为本地振荡源的核心模块，其功耗和相位噪声等性能将会直接影响到收发机系统的性能！本论文的目的是采用CMOS工艺实现全集成的低功耗、低相位噪声的LC压控振荡器和预分频器。该模块电路用于IEEE802.15.4C标准申请的780（中国）/868（欧洲）MHz频段中无线收发机中。目前用于该频段的SOC芯片在国内依然处于未开发阶段。作为无线传感网络中的核心SOC芯片之一，开展有关研究与开发对于国内整个物联网行业的发展具有重要意义。本论文实现了780/868MHz的低功耗和低相位噪声的LC压控振荡器及其预分频器，主要的工作内容和创新点包括：1、研究了负阻LC压控振荡器的工作原理和电路结构，重点阐述了无源元件—集成电感和集成变容管的结构和特性，之后探讨了如何设计低KVCO的VCO用以改善其相位噪声的性能。2、研究了正交2分频产生电路中D触发器的电路结构和工作原理，以及设计原则，最后通过采用电流复用技术降低了整个VCO模块的功耗。3、研究了真单相时钟（TrueSinglePhaseClock，TSPC）D触发器的工作原理和设计要点，最后设计了基于TSPC的低功耗4/5双模预分频器。4、利用SMIC0.18μm1P6MCMOS工艺，实现了1.8V电源电压下的LC压控振荡器和4/5双模预分频器。芯片实验测试结果为：780/868MHz的LC压控振荡器的调谐范围为748-946MHz，其总功耗为4.5mW。且该LC压控振荡器在典型频率下测得其相位噪声分别为：中心频率fC1为849.73MHz，Pnoise为-99.02dBc/Hz@1MHz频偏；中心频率fC2为784.03MHz，Pnoise为-104.32dBc/Hz@1MHz频偏。而预分频器做在PLL环路里可以很好地实现正确分频。
【作者】陶小妍；
【导师】张海鹏；
【作者基本信息】杭州电子科技大学，电路与系统，2014，硕士
【关键词】低功耗；低相位噪声；LC压控振荡器；预分频器；正交信号；TSPC；

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