毫米波射频前端cmos集成锁相环研究与设计-research and design of millimeter wave rf front-end cmos integrated phase locked loop.docx

摘要现在无线通信频段已经无法满足用户对大数据、高速率和超宽带无线通信的 追求，促使无线通信系统研发者将眼光投向 60GHz 毫米波通信。60GHz 毫米波在 自由空间中的衰减特性和超宽可用带宽特性，使得它适合大数据传输率、短距离 无线通信系统。最近几年，各国纷纷投向 60GHz 毫米波通信技术的研发设计，已有不少研究 机构已经推出 60GHz 毫米波无线通信芯片。但就目前形势来看，60GHz 集成技术 还尚未完全成熟，离正式商用还有很长一段距离。最初毫米波集成技术采用 III-V 族化合物砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）材 料和锗化硅（SiGe）材料 HBT 技术。因为这两种工艺截止频率 fT 高、高增益和低 噪声，但是它们的集成生产成本比较高。CMOS 工艺易于集成、生产成本低和功 耗低。虽然早期的 CMOS 工艺受截止频率的限制，不能应用于毫米波集成技术， 但随着硅基 CMOS 技术的发展，其特征频率 fT 不断提高，纳米级 CMOS 技术已成 熟，越来越多的芯片制造商都投向了 CMOS 工艺的毫米波芯片研发。本论文研究 内容是 60GHz 毫米波射频前端集成锁相技术研究。研究内容如下：1）首先介绍了毫米波集成技术发展概况。接着分析了毫米波射频系统结构和 射频前端的锁相环结构，最后分析 CMOS 锁相环结构、工作原理和系统各参数。 2）锁相环各模块实际电路设计与仿真。本论文中锁相环各模块实际电路设计仿真是基于 TSMC CMOS 0.18?m /1.8V 模型，在 Agilent 公司仿真工具 ADS 中完成电路设计与仿真。首先是锁相环核心模块压控振荡器电路的设计。VCO 的输出 频率范围 11.8~13GHz，对应相位噪声要求小于-105dBc/Hz@1MHz。接着是锁相 环的其他模块：分频器、鉴相器和环路滤波的电路设计。论文中采用 128 整数分 频，预分频采用改进式的静态分频器来提高工作频率，后 6 级分频采用电流模式 逻辑静态分频器。鉴相器采用基于 D 锁存器的数字鉴频鉴相器和电荷泵联合结 构。环路滤波采用二阶无源环路滤波。在 ADS 中对锁相环各模块的实际电路进行 严格的性能仿真和参数优化，来验证电路设计的正确性和提升电路的工作性能。3) 对锁相环系统的进行锁定仿真和环路相位噪声仿真，来分析系统动态锁定 过程和锁定后的相位噪声性能。关键词：60GHz，毫米波集成电路，锁相环，压控振荡器，相位噪声，分频器ABSTRACTIn nowadays，the allure of “being connected” at anytime anywhere and desire for untethered access to information and entertainment “on the go” has set the ever increasing demand for higher data rate . Today limited communication transmission rate can not meet peoples pursuit of large data transfer rate and wideband. The researchers have begun to develop 60GHz mm-wave communications technology. 60GHzmm-wave is suit for high data rate, short-range wireless communication system，because of the characteristics of oxygen absorption of 10-15dB/km and wide band .Recently ，a lot of institutes in many countries have begun to develop 60GHz mm-wave communication technology and finished some ICs , used in 60GHz communication system. Until now, 60GHz integration technology is under developing, and far from being achieved to realize business application .There are three competing IC techonogies at mm-wave circuits namely : group III-V technique (su