[发明专利]高频宽带高精度锁相环性能增强技术

说明书

本发明提出了对于飞速发展的无线通信系统中重要的电路模块——锁相环的各种性能增强技术，使其具有高频、宽带、高精度等优点，包括三个技术内容：射频模块高频增益倍增技术，在普通的差分共源放大电路基础上，引入了负电阻耦合对管技术以提升电路整体跨导进而提升增益；基于累加器和Δ‑Σ调制器的两级小数分频技术，使得在小数分频的精度非常高时，电路的功耗与面积不会同单级小数分频器一样呈几何增长；高线性度与大输出范围的电荷泵技术，提升了电荷泵的工作频率，降低了失配。本发明所提出的三种电路模块一般集成于锁相环中使用。

技术领域

本发明涉及高频宽带高精度锁相环性能增强技术，属于射频集成电路设计中锁相环技术领域。

背景技术

如今，通信技术飞速发展，现代社会开始逐渐步入5G时代。目前绝大多数射频系统的工作频率均在GHz数量级，而传统晶体振荡器受制于自身材质以及技术问题，只能产生MHz数量级的振荡信号，并且抖动高，无法满足现代射频通信系统的精度与速度需求。为解决这一难题，锁相环应运而生。锁相环是采用闭环的方法，通过负反馈来使得电路整体振荡频率与相位锁定于参考时钟的频率与相位，并且可以通过引入整数或小数分频器，产生任意分频比的输出频率。可以说，锁相环技术现代通信电路不可或缺的基石。

锁相环种类有许多种，应用最广、实现成本最低的是电荷泵锁相环。电荷泵锁相环整体电路包括鉴频鉴相器、电荷泵、低通滤波器、压控振荡器和分频器。其工作原理为：压控振荡器输出振荡信号，经过分频器分频后与参考时钟通过鉴频鉴相器进行频率与相位的比较，此时频率与相位差转为电压信号，该电压信号控制电荷泵对低通滤波器进行充电或放电，滤波后的电压再送入压控振荡器中，控制输出振荡信号频率变化，由此往复直到环路达到稳态。

锁相环是一种复杂的负反馈环路，其包含了几乎所有的电路种类，如属于射频电路的射频分频器、射频输出器，属于模拟电路的电荷泵，属于数字电路的小数分频器，等等。目前，如何设计低抖动、低功耗、高精度、高频带覆盖范围的锁相环对于射频电路设计者是一大挑战。

发明内容

本发明提出了高频宽带高精度锁相环性能增强技术，其目的是提高锁相环中部分模块的性能，使得锁相环整体具有高频带覆盖范围、高精度等优点。本发明提出的高频宽带高精度锁相环性能增强技术具体包括三个技术内容，由图1所示：射频模块高频增益倍增技术、基于累加器和Δ-Σ调制器的两级小数分频技术、高线性度与大输出范围的电荷泵技术。本发明提出的三种模块一般集成至锁相环中使用，如图2所示。

其中，射频模块高频增益倍增技术是为了解决当设计所采用的工艺节点不足以支持高速度的射频信号处理能力而提出。如当采用180nm CMOS工艺，其射频器件标准电源电压为3.3V，而经仿真，当电路速度达到7GHz及以上时采用3.3V标准射频器件构建的放大电路，其增益很难达到0dB以上。为了解决这一致命问题，引入了差分对负电阻耦合对管技术。通过采用180nm CMOS设计库中的1.8V深N阱器件作为负电阻结构并精心设计电路直流工作点使其任意两端电压都不会达到击穿电压，在同等电流消耗的情况下，提升射频放大电路的等效跨导，放大增益倍增为原来的数倍，达到10dB以上，一举解决了当采用诸如180nmCMOS工艺节点在频率为7GHz及以上的射频放大电路的增益问题；

其中，基于累加器和Δ-Σ调制器的两级小数分频技术是为了解决小数分频分辨率达到很高精度时的电路功耗与面积将成几何倍数增长的问题。目前，锁相环的小数分频大多都是基于单级Δ-Σ调制器来实现，其分辨率普遍不高于20个比特位，即精度大于1/2²⁰。当分辨率再上升时，采用单级Δ-Σ调制器来实现将会使得综合出的电路与版图十分庞大，功耗和面积会显著增加。为了解决这一问题，将传统的单级Δ-Σ调制小数分频结构改为两级小数分频技术，将14比特位的累加器与20比特位的三阶噪声整形Δ-Σ调制器相结合，将数字累加器的输出作为数字三阶噪声整形Δ-Σ调制器输入的数字扰动，从而以很少的面积与功耗的代价实现更高位数的小数分频分辨率，精度可达到1/2³⁴；