2.4GHz動態CMOS分頻器的設計

名稱:2.4GHz動態CMOS分頻器的設計
摘要：對現階段的主流高速CMOS分頻器進行分析和比較．在此基礎上設計一種採用TSPC（truesingle phase clock)和E-TSPC(extended TSPC)技術的前置雙模分頻器電路。該分頻器大大提高了工作頻率，採用0.6um CMOS工藝參數進行模擬的結果表明，在5V電源電壓下，最高頻率達到3GHz，功耗僅為8mW。
關鍵詞：鎖相環；雙模前置分頻器；源極耦合邏輯；單相時鐘；擴展單相時鐘
中圖分類號：TN772文獻標識碼：A文章編號：1006—6977(2006)01—0015—03
1引言
分頻器是鎖相環電路中的基本單元．是鎖相環中工作在最高頻率的單元電路。傳統分頻器常用先進的高速工藝技術實現。如雙極、GaAs、SiGe工藝等。隨著CMOS器件的尺寸越來越小，可用深亞微米的CMOS工藝製造高速分頻器。由於CMOS器件的價格低廉，因而高速CMOS分頻器有著廣闊的市場前景。筆者給出1種利用O.6μvmCMOS工藝製造的2.4GHz動態前置雙模分頻器，該分頻器的最高輸入頻率可以達到3GHz。
2分頻電路的結構
鎖相環及前置分頻器的結構如圖1所示。VCO的輸出直接與分頻器第1級÷2電路相連，這是整個分頻器中頻率最高的部分，也是最難設計的部分。接著信號進入÷4／5雙模前置分頻器，該部分電路的頻率仍然較高，模數的選擇由靜態的吞除計數器控制。÷4／5電路的原理如圖2所示，當MC=1時，分頻器模為4，反之為5。
3單元電路的設計
3.1第1級÷2電路
3.1.1 3種典型的分頻電路
在鎖相環中．分頻器第1級頻率最高．近幾年國外普遍採用的高速CMOS分頻電路主要有3種。第1種是靜態SCL電路是由ECL電路結構演變的，相比傳統的靜態分頻器，由於電路的擺幅較小，因而電路的工作速度快；第2種是動態TSPC電路，採用單相時鐘(TSPC)電路技術，使構成分頻電路的元件數目減少，從而提高電路的工作速度，同時這種電路功耗極低，經典結構圖如圖4(a)所示的9管DFF。J.Navarro在TSPC技術的基礎上於1997年提出了E-TSPC技術；第3種是注鎖式(injected-locked)電路，由於要使用電感器，因而它的體積過大且工藝難度高，很少被廣泛使用。
典型的SCL2分頻器包括尾電流源和源負載在內需要20個晶體管，晶體無法做到小尺寸，所以輸入電容很大甚至超過管本身的輸入電容，導致要在VCO與SCL分頻電路加緩衝；另外，前2級分頻器工作在很高的頻率，會耗散總功率的一半。因而對SCL分頻器而言鎖相環總功耗很高。單相時鐘(TSPC)電路除具有很高的頻率外，晶體管的數量少且尺寸小，所以功耗極低，因而經常在前置分頻器中採用。TSPC分頻器的不足是雜訊性能不佳，因為是動態的單端結構，所以受雜訊的影響比差分的SCL電路容易。具體採用哪種電路結構應視情況而定。在O.6um工藝參數的條件下，SCL÷2分頻電路的最高工作頻率僅為910MHz，功耗為12mW；筆者採用0.6um工藝設計的TSPC÷2分頻電路在電源電壓為5V時的頻率最高可達3GHz，功耗僅有2mW。
3.1.2具體電路
設計的第1級÷2分頻器的結構如圖4(b)所示。它是傳統TSPC的改進型．此電路改變了信號迴路．目的是為了降低內部節點電容，提高工作速度。經過對每個晶體管尺寸的調整，電路工作頻率範圍為2GHz-3GHz。與SCL相比，TSPC僅有9個晶體管，且柵長可取到最小值(0.6um)。通過對源電流的模擬可以看到電路結構緊密，晶體管少。電路功耗極低。
3.2雙模前置分頻電路的設計
(a)所示為÷2/3雙模前置分頻電路的邏輯。採用同步工作方式，具體電路如圖5(b)所示。該電路採用E-TSPC技術，相比傳統的門電路，雖增加了2個晶體管，但開關速度更快；並且在單阱工藝條件下．電路不受體效應影響。由於採用TSPC技術，柵長仍然為0.6um。對於隨後1級的÷2和÷32電路而言，因為工作頻率已大大降低。可工作在非同步方式，所以只需將圖4(b)所示的電路作為÷2單元串聯起來即可。經模擬表明，電路符合設計要求。
4模擬波形與電路特性
採用CMSC公司的0.6um n阱雙層金屬CMOS模型進行了電路的模擬和模擬。模擬工具是Syn-opsys公司的Hspice和Agilent公司的ADS。
分頻器輸入信號的最小幅度是在正確輸出的前提下獲得的．也叫輸入信號靈敏度。隨著電源電壓的下降，分頻器工作的最高頻率下降得很快，這可以看作在低壓環境下TSPC相對SCL的劣勢。模擬結果表明輸入幅度至少需要1．2V才能使電路工作在3GHz．而工作頻率在2．4GHz左右時．僅需不到200mV的信號幅度，這說明該電路可以用在2．4GHz ISM頻段。
表1列出本分頻器參數與幾篇文獻介紹的分頻器參數的對比．所有的分頻器均採用CMOS工藝。比較的主要參數是工藝、最高輸入頻率、電源電壓和功耗。
5結束語
利用O．6μm CMOS工藝設計了一種採用TSPC和E-TSPC技術的動態雙模前置分頻器。可以工作在2．4GHz ISM頻段，最高工作頻率達到3GHz。分頻器工作在高頻率時的電容寄生效應校電源電壓為5V時，功耗約為8mW。頻率為2．4GHz時，輸入信號幅度僅為190mV，可以應用在2．4GHz ISM頻段的鎖相環或頻率合成器電路中。