6.5 GHz 11 GHz Geniş Bant Düşük Gürültülü LCVCO Devresinin Tasarımı ve Uygulanması
Yüksek hızlı iletişim sistemlerinin geliştirilmesi ve iletim hızlarının sürekli iyileştirilmesiyle, karmaşık iletişim sistemlerinin gereksinimlerini karşılamak için faz kilitli döngüler, salınım frekansı, faz gürültüsü, çıkış gücü tüketimi ve çıkış frekansı aralığı gibi performans göstergelerinde daha yüksek iyileştirmeler yapmıştır. Voltaj kontrollü osilatör, faz kilitli döngüde saatin üretilmesi için temel modüldür, faz gürültüsü ve frekans bandı aralığı, iletişim sistemindeki iletim saatinin sinyal kalitesini doğrudan etkileyecektir.
LCVCO, halka osilatörlere göre daha yüksek bir salınım frekansına ve daha düşük faz gürültüsüne sahip olduğundan, yüksek hızlı sinyal iletim sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, geleneksel LCVCO devre yapısı dar bir frekans aralığına sahiptir ve aralık uygulamaları için daha büyük bir VCO kazancı gerekir, bu da daha büyük faz gürültüsüne neden olur. Bu nedenle, birden fazla protokolün farklı iletim frekansı gereksinimlerini karşılamak için, bu makale düşük faz gürültüsü, düşük güç tüketimi, daha yüksek çıkış frekansı ve daha geniş frekans aralığı performans göstergeleri arasındaki çelişkiyi tartar ve çıkış saat frekansı kapasitans ve endüktans optimize edilerek optimize edilir. Böl. Devre, ayarlanabilir frekans bandı elde etmek için rezonant kapasitörün boyutunu değiştirmek için ayar kapasitör dizisini kontrol etmek için frekans bandı geçit sinyalini kullanır. Düşük faz gürültüsünü sağlarken tüm frekans noktalarını kaplayın ve faz gürültüsünü azaltmak için frekans bandında optimum VCO kazancını tasarlayın.
1 Devre tasarımı
Bu makale, Şekil 1'de gösterildiği gibi, esas olarak bir faz frekansı detektörü (PFD), bir şarj pompası (CP), bir döngü filtresi (LPF) ve bir voltaj kontrollü osilatör (VCO) içeren, bir şarj pompasına dayalı bir faz kilitli döngü devre yapısı kullanır. VCO'nun saat üretiminin temel modülü olduğu ve faz kilitli döngünün çıkış frekansının frekans bölme oranı ayarlanarak 6.5 GHz 11 GHz'de kilitlendiği doğrusal regülatör (LDO), frekans bölücü ve sigma-delta modülatörü (DSM), Ve dört frekanslı bölücü devresinden çıkan yüksek performanslı saat sinyali, gönderen modül, alıcı modül, uyarlamalı eşitleme ve saat sinyalleri gerektiren diğer modüller için doğru düşük titreşimli saatler sağlar.
VCO gürültüye karşı çok duyarlı olduğundan ve faz kilitli döngüde rastgele titreşimin ana kaynağı olduğundan, çıkış sinyalinin spektral saflığı ve gürültü seviyesi tüm sistemin performansını doğrudan etkiler. Bu nedenle, VCO güç kaynağı, güç kaynağı aracılığıyla diğer modüller tarafından bağlanan gürültüyü azaltmak için faz kilitli döngü tasarımında ayrı olarak sağlanır. LDO modülü, güç kaynağından (toprak) gelen gürültüyü bastırmak için kullanılır Devre, VCO modülünün güç kaynağı voltajı olarak referans voltajı Vref ile karşılaştırılarak kararlı bir çıkış voltajı üretir.Devre yapısı Şekil 2'de gösterilmiştir.
Bu tasarım, çapraz bağlı tam diferansiyel bir osilatör devresi kullanır.LCVCO, indüktör-kapasitör rezonansını kullanır ve MOS çapraz bağlı diferansiyel çiftleri, negatif direnç elde etmek ve parazitik indüktans ve kapasitansı telafi etmek için kullanılır. Tüm rezonans devresinin kapasitansı üç bölümden oluşur: kaba ayar kapasitansı, ince ayar kapasitansı ve parazitik kapasitans. Kaba ayar kısmı alt bantların bölünmesini gerçekleştirir, ince ayar devresi sürekli değiştirilebilen AMOS değişken kapasitörlerinden oluşur ve parazitik kapasitans, rezonans boşluğundaki çeşitli ideal olmayan etkilerden gelir, örneğin indüktörün parazitik kapasitansı ve MOS tüpünün parazitik kapasitansı , Ara bağlantı hattı kapasitansı, vb. Devre yapısı blok şeması Şekil 3'te gösterilmektedir.
Birden çok protokolün gereksinimlerini karşılamak için, çıkış saat frekansı 6,5 GHz 11 GHz'yi kapsar ve 6 bitlik frekans bandı flaş sinyali bgsw kullanılır < 5: 0 > Kondansatör dizisini kontrol edin ve frekans bantlarının bölünmesini sağlamak için farklı kapasitans değerleri bağlayarak çıkış frekansını değiştirin. Tüm faz kilitli döngü döngüsünün tasarımı göz önüne alındığında, VCO'nun kontrol voltajı Vcntrl, şarj pompasının daha iyi doğrusallık elde etmesini sağlamak için mümkün olduğunca 0,5 Vdd'ye yakın tutulmalıdır, akım uyuşmazlığı küçüktür, çıkış saati titreşimi azaltılır ve faz kilidi azaltılır. Zil sesi. Ek olarak, VCO frekans bandı tasarlanırken, tüm frekans noktalarının tamamen kapsanmasını sağlamak için iki bitişik frekans bandının çıkış frekanslarının% 50 bant örtüşmesine sahip olması gereklidir. Faz kilitli döngü devresi açık olduğunda, Vcntrl = 0.5 Vdd'yi ayarlayın ve 6 bitlik frekans bandı flaş sinyalini değiştirin bgsw < 5: 0 > Çıkış frekansının şu anda kilitli hedef frekansa ulaşmasını sağlayın, bgsw < 5: 0 > Belli bir frekans bandı sinyalidir. Faz kilitli döngüyü kapatın ve seçilen bgsw'yi ayarlayın < 5: 0 > , Faz kilitli döngü hedef frekansta kilitlenebilir ve Vcntrl yaklaşık 0,5 Vdd'de kalır. Ek olarak, devrenin kuyruk akımı, mevcut kontrol word biti aracılığıyla ayarlanabilir. < 2: 0 > Çıkış frekansının ince ayarını elde etmek için VCO kazancını değiştirin, varsayılan akım bittir < 2: 0 > = 100.
2 Simülasyon doğrulama ve fiziksel gerçekleştirme
Çip, 40 nm CMOS işlemi ile gerçekleştirilir, düzen tasarımı, diferansiyel çıktının eşleşmesini sağlamak, gürültüye duyarlı LC modülüne bir koruma halkası eklemek ve hassas kablolamasını en aza indirmek için simetrik düzen ve kablolama için devrenin tamamen diferansiyel yapısı ile birleştirilen tamamen özelleştirilmiş bir yöntemi benimser Güç kaynağı topraklamasının gürültüsünü azaltmak için parazitik parametreler. LCVCO devre düzeni Şekil 4'te gösterilmektedir.
Tüm faz kilitli döngü döngüsünün tasarımı dikkate alındığında, döngü gürültüsünü azaltmak için, hedef frekans kilitlendiğinde karşılık gelen kontrol voltajı, faz kilitli döngü devresinde yaklaşık 0.5 Vdd olacak şekilde ayarlanır. 6 bitlik frekans bandı kontrol kelimesini bgsw tarayarak < 5: 0 > , Şekil 5'te Vcntrl = 0.5 Vdd gösterildiğinde 64 frekans bandını ve her bir frekans bandının çıkış saat frekansını alın. Sonuçlardan çıkış frekansı aralığının 6.5 GHz 11 GHz olduğu, çıkış frekansının sürekli değiştiği ve küçük bir Tesadüf, çıkış frekansının tamamen kapsanmasını sağlayabilir.
Bu devre tarafından tasarlanan 64 frekans bandı olduğundan, her bir frekans bandının kontrol kelimesi tüm 0'lardan 1'e değiştirildiğinde çıkış frekansının sürekliliğini görsel olarak gözlemlemek için, son çıkışı elde etmek için 8 anahtarlama frekans bandının kontrol kelimelerini ve Vcntrl kontrol voltajını tarayın. Frekans Tablo 1'de gösterilmektedir. Tablodan, mevcut frekans bandının çıkış frekansı sürekli olarak değişir ve anahtarlama işlemi sırasında çakışan frekans noktalarına sahiptir ve faz gürültüsü test frekansı noktasında 103.72 dBc @ 1 MHz'yi aşmaz.
Şekil 6, Vcntrl ile doğrusal olarak değişen 8 frekans bandının çıkış frekansının eğrisidir. Bitişik frekans bantları örtüşür ve VCO, devrede yaklaşık 232 MHz / V olan farklı kapasitans değerlerinin eklenmesiyle belirli bir kazanç sağlar; Şekil 7 her biri 1 MHz frekans bandına karşılık gelen faz gürültü değeri, faz gürültüsü 104.9 dBc @ 1 MHz'yi geçmez.
3 Sonuç
Çoklu protokollerin farklı iletim frekansı gereksinimlerini karşılamak için bu makale, düşük faz gürültüsü, düşük güç tüketimi, daha yüksek çıkış frekansı ve daha geniş frekans aralığı performans göstergeleri arasındaki çelişkiyi tartıyor ve 6.5 GHz 11 GHz için düşük gürültülü bir geniş bant tasarlıyor. LCVCO devresi, kondansatör dizisini kabaca ayarlamak ve ince ayar yapmak, rezonans kapasitörünün boyutunu değiştirmek, çıkış saat frekansını bölmek ve ayarlamak ve son olarak 64 frekans bandı elde etmek için frekans bandı geçit sinyalini kullanır ve bu arada frekans bandı içinde optimum VCO kazancını tasarlar. Çıkış saat frekansı gereksinimlerinin karşılanması durumunda, VCO kazancı olabildiğince küçüktür, faz gürültüsünü azaltır ve birden çok protokolün farklı iletim frekansı gereksinimlerini karşılar. Çip, 40 nm CMOS teknolojisi kullanılarak uygulandı Simülasyon sonuçları, saat çıkış frekansının 6.5 GHz 11 GHz'yi kapsadığını ve faz gürültüsünün 1 MHz'de 104.9 dBc'yi geçmediğini gösteriyor.
Referanslar
BERNY AD, NIKNEJAD AM, MEYER R G.A 1.3-GHz ayar aralığı ve dijital genlik kalibrasyonu ile 1.8-GHz LCVCO. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2005, 40 (4): 909-917.
KWOK K, LONG J R.A 0,13 m CMOS'ta 23-29 GHz dönüştürücü ayarlı VCO MMIC. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2007, 42 (12): 2878-2886.
Li Zhenbiao, KENNETH K. O. Düşük fazlı gürültülü ve düşük güçlü çok bantlı CMOS voltaj kontrollü osilatör.IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2005, 40 (6): 1296-1302.
DENG W, OKADA K, MATSUZAWA A. Sağlam başlatma ve geliştirilmiş salınım salınımı için genlik geri besleme döngüsüne sahip Sınıf-C VCO.IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2013, 48 (2): 429-440.
MAZZANTI A, ANDREANI P. Faz gürültüsü üzerine genel bir sonuç ile C Sınıfı harmonik CMOS VCO'lar IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2008, 43 (12): 2716-2729.
MAZZANTI A, ANDREANI P.A itme-çekme Sınıf-C CMOS VCO. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2013, 48 (3): 724-732.
FONG N H W, PLOVCHART JO, ZAMDMER N. Çok bantlı kablosuz LAN uygulamaları için geniş bant CMOS VCO'nun tasarımı IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2007, 42 (9): 1942-1952.
Tian Mi, Han Tingting, Wang Zhigong.Sabit voltaj kontrol kazançlı geniş bant CMOS LC VCO'nun tasarımı.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2017, 43 (1): 39-42.
VANANEN P, METSANVIRTA P, TCHAMOV N T.A 4.3-GHz VCO, 2-GHz ayar aralığı ve düşük faz gürültüsü.IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2001, 36 (1): 142-146.
CHO Y H, TSAI M D, CHANG Y T, et al.Geniş bant düşük gürültü dörtlü CMOS VCO.2005 IEEE Asian Solid State Circuits Conference, 2005: 325-328.
yazar bilgileri:
Liu Ying 1, Tian Ze 1, 2, Shao Çetesi 1, 2, Lu Junsheng 1, 2, Hu Shufan 1, Li Jia 1
(1. Xi'an Havacılık Hesaplama Teknolojisi Enstitüsü, Havacılık Endüstrisi, Xi'an 710068, Shaanxi;
2. Havacılık Teknolojisi Entegre Devre ve Mikrosistem Tasarımı Anahtar Laboratuvarı, Xi'an, Shaanxi 710068)
