1V19GHz+CMOS分频器设计

! ) ) ! A ) B A = "收到 ’ ! ) ) ! A ) C A ) C定稿
万方数据
A期
曾晓军等 e ! ! d J< L MNH >?8分频器设计
! d c
图 E 新锁存器的电路图
* E 8 ’ ( ) 0 9 , :# 4 ( 05 ; 4 9 ,/ , Q7 # 4 0 9
图! " $分频器的结构图 % " $锁存器的电路图 # &
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" $’ %" $ # + , . , / 0 12 ( 3 ( 2 , +4 5 6 5 7 5 ) 1 &
方 便 地 构 成 分 频 器< 其 工 作 原 理 与 R# / )的 结 构 相 似< 不 同 的 是 图 E中 时 钟 开 关 管 = >?8和 O>?8 采用不同的直流偏置 < 有效地解决了图 !电路在 ! J 电源 下的偏 置问 题 < 从而大大提高了分频器的工作 速度 * 在图 E中 < 通 过 合 理 设 计 电 阻 及 电 容 的 值< 以 及外加的偏置电压 S 就可以控制 = < T U8 = >?8管的
" d 路 的 速 度 得 以 进 一 步 提 高c 为了满足低功耗的要 &
求’ 电 源电 压越 来 越 低 ’ = # 电源的电路设计变得越 来越 重要 ’ 前面 提 到 的 电 路 结 构 都 不 能 工 作 到 很 高
频前端 ’ 才能实现单片集成的收发器 ’ 并有利于系统 的进一步集成 & 因此 ’ 近些年来 ’ 对于 + 71/工艺的 高 频 率分频电路 设 计 进 行 了 许 多 尝 试 ’ 现有文献报
低 电 压 工 作 问 题* 由 于 空 穴 的 迁 移 率 比 电 子 小<
P 改进的分频电路设计
为 了 解 决 前 面 提 到 的 问 题< 本文提出的设计将 控制 = 具 >?8和 O>?8的 时 钟 的 直 流 偏 置 分 开 < 体的锁存器电路如图 E所示 * 万方数据 将 图 E中 的 锁 存 器 按 照 图 ! 的结构可以很 " $ #
F ’ F H G I JKL MN O分频器设计
曾晓军 李天望 洪志良
复旦大学电子工程系 ’ 上海 P ! ) ) " * * Q
摘要 R对传统分频器电路工作在低电压 P 时存在的问题进行了 分 析 ’ 在此基础上提出了一种新的分频器电路结 = #Q 构’ 将 (71/和 S 有效地解决了分频器在低电压下工作所存在的问题 & 采用 ) T = @ 71/管的直流偏置电压分开 ’ U V 该分频器在 = 能够工作的最高输入频率为 = 功耗仅 > ’ # 的电源电压下’ W ,X + 71/工艺参数进行仿真的 结 果 表 明 ’ 为! T B VY& 关键词 R 频率合成器 Z 分频器 Z 锁相环 R! B C ) Z= ! B ) Z= ! * ) [ [ \ L L 8 ] 中图分类号 R9 文献标识码 R4 C ! (C 文章编号 R) ! B * A " = C C P ! ) ) * Q ) " A ) " = ? A ) B
8 0 9 , :# 4 ( 05 ; 4 9 ,7 # 4 0 9
用* 当 分 频 器 处 于 触 发 状 态 时< = >?8管 的 电 阻 较 有 利 于 减 小 时 间 常 数% 当分频器处于锁存状态 小< 时< 有 利 于 放 大 信 号< 从而提 = >?8管 的电阻较 大 <
A B 高 了 分 频 器 的 工 作 速 度@ 如 图 !在 C * D E F G : D I H >?8 工 艺 <! J 电 源 电 压 下 <能 够 工 作 到
当 电源电压变 到 ! 图 !的 电 路 ! K D I * L MN J 左右 时 < 从 图 !可 以 看 出 < 由于 = 工 作 速 度 明 显 降 低* >?8 管 和 O>?8管 采 用 相 同 的 直 流 偏 置 < = >?8管 的 直流偏置不能取得太低 < 否则 O>?8管不能正常工 作< 直流偏置太高则 = 因 >?8管 的 寄 生 电 容 较 大 * 此< 在电路设计中要进行折衷考虑 * 当电源电压较高 时< 图 !的电路总是可以找到合适的直流偏置 * 当电 源电压为 ! 直流偏置已经成为 严 重的 问 题 < 图 J 时< 无法满足设计要求 * !的电路工作速度显著下降 <
构 进 行 了 改 进’ 从而使 S 71/管 只 起 上 拉 的 作 用 ’
F 引言
在 频 率 合 成 器 中’ 分频器是工作在最高频率的 射频频段的分频器是移动通信 ^ 光通 电路单元之一 & 信 和 卫星通信系 统 中 的 关 键 部 件 ’ 许多这样的分频 器电路都是采用先进的高速工艺技术制成 ’ 如双极 ^
* eB d 道分频电路能工作在 = 以上 c ) & W ,X 分 频 电 路 主 要 有 以 下 几 种R 动态电 + 71/ ? ’ > d C d c B d c " d 路c 源 极 耦 合 电 路c ^ ^ 3 _ X _ f a 及 Y_ g h 的设 计& 动态电路采 用 单 相 时 钟 使 构 成 分 频 电 路 的 元 件
同样可以改变图 E 时 钟 信 号 偏 置 在 需 要 的 直 流 点* 中H 因 此< 选择不同的 S V W 的 直 流 偏 置* T U8 =和 可 以 使 O>?8管 和 = S T U8 O 的 值< >?8管 的 控 制 时钟具 有不 同的 偏 置 < 有 效 地 解 决 了 图 !中 电 路 的 通常会 = >?8管 的 寄 生 电 容 也 就 比 O>?8管 大 < 因 此< 减小 在 电 路 的 寄 生 电 容 中 占 主 导 地 位< = >?8管 的 寄 生 电 容 可 以 进 一 步 提 高 分 频 器 的 工 作速度 * 当 >?8管处于导通状态时 < 其电阻为 X 5 /Y
b [ " ‘ E a ‘\ ]Y [ ] C^ _ ’\ [ S 8
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半
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体
学
报
2 \卷
对于 ! 在 通 常 情 况 下% % ,) % "#$管 来 说 % & * ’( ) + $ . / 因 此% 阈值电压会增加 0 从1 式 可 以 看 出 当 2 3 % 可使 * 从而减 % ! "#$管 的 衬 底 不 接 电 源 时 % + $( ) 小 阈 值 电 压0 当* & ! "#$管 的 阈 值 电 压 + $4 2 ’ 时% 最 小0 对 于 5"#$ 管 % 可采用类似的方法减少 但 由 于 是 5 阱 工 艺% 5"#$管 的 阈 值 电 压 0 5"#$ 管的 衬 底必须连 接 在 一 起 0 虽然作为单独的分频器 电 路可以采用这 种 方 法 来 提 高 速 度 % 但当分频器与 其它电路集成在一起时 % 电路的功耗会增加许多 0 因 此在本设计中 % 没有采用 5"#$管的阈值电压减小 技 术0 当 然% 如 果 是 双 阱 工 艺% ! "#$管 和 5"#$ 管同时采用阈值电压减小技术可以进一步提高速 度0 为了使 5"#$管和 ! "#$管同时处 于 最 佳偏 置状态% 本文对 图 2锁 存 器 构 成 的 分 频 器 电 路 的 偏 置电压在 ) 图 9给出 了 67 8 的范围内进行了扫描 % 采用 ) : 7 . ; < 的工艺参数进行仿真的偏置电压与分 从图 中可 以 看 出 % 当+ 频 器 最高工作频率的关 系 0 = > 为 为 时 分频 器 的 工作 频 率 达 ) 7 % ?$ ! 8% + = ?$ 5 8 到最高 0
c = ’ ! d 但这些工艺相对于 + ^ ’ W _ 4‘ / a W b工 艺 等 71/ 工 艺 来 说’ 比 较 昂 贵’ 而且只有实现 + 集 71/ 成 射
分频器能够工作在 = 以上 & 对于源极耦合电路 ) W ,X 的 设 计’ 限 制 其 速 度 的 关 键 是 负 载 电 阻& 和3 _ X _ f a 小的 负载电 阻有 利 于 减 小 时 间 常 数 ’ 大的电阻则有 使电 利于信号的放大 & Y_ g h的结 构采 用动态 电阻 ’
图 9 在不同偏置电压下分频器的最高工作频率
$ @ <D U B O @ F LG J T D U O TB OM U F M HI G J K D J L M NF I

0 9 "B ’ @ A C @ <D < EF G HI G J K D J L M NF IO P JQ @ R @ Q J GB O Q @ I I J G J L O S @ B T J QR F U O B A J
数 目减少 ’ 从而 提高电路 的 工 作 速 度 & 文献c 从寄 > d 存器级限制和电路级限制两个方面来分析动态电路 的 频率极限 ’ 并通过改进电路结构使动态电路的速 度 得到进一步提 高 ’ 但这种电路的工作速度随着电 源 电压的下降而 显 著 下 降 ’ 因而不适合在低电压下 工作 & 源极耦合电路是由双极电路的 . + 5结构演变 而来 ’ 由于电路的摆幅比动态电路要小 ’ 因而电路的 工 作 速 度 得 以 提 高& 在 此 基 础 上’ 对电路结 3 _ X _ f a