師兄v2低功耗頻率合成器的關(guān)鍵技術(shù)研究

1、低功耗頻率合成器的關(guān)鍵技術(shù)研究姓名： 陳 楠學(xué)號： BA10023001導(dǎo)師： 林福江 教授 刁盛錫 副研究員時間： 2013年5月28日 微納電子系統(tǒng)集成研究中心Micro/Nano-Electronic Systems Integration R&D Center 報告提綱研究背景研究內(nèi)容 低相位噪聲壓控振蕩器 低功耗兩點調(diào)制器 低功耗寬帶全數(shù)字鎖相環(huán)總結(jié)展望2報告提綱研究背景研究內(nèi)容 低相位噪聲VCO 低功耗兩點調(diào)制器 低功耗寬帶ADPLL總結(jié)展望3無線的世界無線通信和傳感迅速發(fā)展：手機，WLAN，物聯(lián)網(wǎng) CMOS工藝不斷進步：65nm，40nm，28nm 低功耗、低成本芯片成為核心競爭

2、力42.4 GHz ISM 無線標(biāo)準(zhǔn)WiFi：較遠距離、高數(shù)據(jù)率傳輸、功耗大Bluetooth：近距離、低數(shù)據(jù)率、功耗大Zigbee：近距離、低數(shù)據(jù)率、低功耗5Zigbee 應(yīng)用射頻收發(fā)系統(tǒng)發(fā)射機調(diào)制信號、上變頻發(fā)射接收機下變頻接收、解調(diào)數(shù)據(jù)頻率合成器提供載波/本振、調(diào)制射頻收發(fā)機的“心臟”6頻率合成器實現(xiàn)結(jié)構(gòu)電荷泵鎖相環(huán) (CP-PLL)全數(shù)字鎖相環(huán) (ADPLL)關(guān)鍵指標(biāo)頻率范圍和精度低功耗：待機時間, 節(jié)能環(huán)保低相位噪聲：信號純度低成本：面積和復(fù)雜度高集成度：片上系統(tǒng)（SoC）7CP-PLLADPLL研究現(xiàn)狀壓控振蕩器（VCO）相位噪聲模型和抑制技術(shù) （UCLA、Stanford、MIT

3、、Milan、Lund）相噪降低以功耗、面積為代價低功耗下的低相噪設(shè)計仍是難點和熱點頻率合成器系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化功耗和性能 （MIT、IME、Samsung、Tsinghua）高復(fù)雜度增加成本低功耗、低復(fù)雜度設(shè)計更具實用價值全數(shù)字鎖相環(huán)（ADPLL）窄帶高精度和寬帶低功耗 （TI、IBM、Intel、Samsung、Infineon）高精度消耗高功耗、低功耗得到低精度寬帶低功耗、高精度存在空白8研究內(nèi)容低相位噪聲VCO閃爍噪聲產(chǎn)生和變頻轉(zhuǎn)化機制相位噪聲抑制技術(shù)低功耗設(shè)計低功耗兩點調(diào)制器低功耗、低復(fù)雜度結(jié)構(gòu)雜散抑制技術(shù)低功耗寬帶ADPLL低功耗時數(shù)轉(zhuǎn)換器（TDC）研究寬帶數(shù)控振蕩器（DCO）設(shè)計9報告

4、提綱研究背景研究內(nèi)容 低相位噪聲VCO 低功耗兩點調(diào)制器 低功耗寬帶ADPLL總結(jié)展望10相位噪聲影響定義影響接收機：惡化信噪比，增加誤碼率發(fā)射機：破壞有用信號，增加調(diào)制誤差11接收機發(fā)射機VCO的相位噪聲噪聲來源諧振腔電阻負阻管尾電流源12噪聲影響閃爍噪聲 1/ f 3 區(qū)熱噪聲 1/ f 2 區(qū)轉(zhuǎn)化減小噪聲來源 尾電流源尾部電阻偏置 尾電流源噪聲減小 地噪聲影響減弱X 存在電阻熱噪聲13 移除尾電流源 尾電流源噪聲消除 電壓余度增加X 功耗增加X 易受地噪聲影響尾電流源濾波 尾電流源噪聲濾除 地噪聲沒有影響 功耗沒有增加X 面積過大X 不適于寬帶減小噪聲來源 閃爍噪聲產(chǎn)生機理氧化層界面隨機

5、捕獲/釋放與捕獲記憶效應(yīng)相關(guān)減小方法增大器件尺寸 變頻增益增大 X減小跨導(dǎo) 起振條件受限 X減小記憶效應(yīng) 減小MOS管閃爍噪聲 動態(tài)功耗增大 X14單純減小噪聲來源難以獲取低功耗和小面積閃爍噪聲轉(zhuǎn)化機制 尾電流源可變電容非線性引起的AM-PM轉(zhuǎn)換尾電流源的Groszkowski效應(yīng)15閃爍噪聲轉(zhuǎn)化機制 負阻管寄生電容非線性引起的AM-FM轉(zhuǎn)換差分對共模點二次諧波引起的AM-FM16研究目標(biāo)2.4 GHz Zigbee應(yīng)用VCO降低閃爍噪聲改善相噪減小來源噪聲抑制噪聲轉(zhuǎn)化保持低功耗優(yōu)化頻率調(diào)諧等指標(biāo)17改進的自開關(guān)偏置 自開關(guān)偏置（SSB）減小尾電流源閃爍噪聲開關(guān)信號幅度可控：Cc、Cf開關(guān)信號

6、直流偏置可調(diào)：VBRC濾波改善帶外相噪18源端開路SSB (Open)源端短路SSB (Short)噪聲貢獻仿真 SSB有效減小尾電流源閃爍噪聲X 負阻管貢獻顯著增大X 總噪聲改善有限19注：1. 相同振蕩頻率，相同功耗仿真 2. 噪聲總量單位 V2 / Hz結(jié)構(gòu)噪聲來源10kHz 100kHz 1MHz 固定尾電流源負阻管 fn11.4%8.5%3.5%尾電流源 fn80%63.4%26.6%噪聲總量3.76x10-87.4x10-112.7x10-13源端開路SSB負阻管 fn70%50%32%尾電流源 fn0.5%0.4%0.3%噪聲總量4.2x10-88.4x10-111.6x10-1

7、3源端短路SSB負阻管 fn67.8%63%28%尾電流源 fn0.1%0.1%0.01%噪聲總量2.1x10-83.2x10-111.1x10-13所提出的自開關(guān)偏置 VCO退耦電容CD抑制負阻管閃爍噪聲變頻轉(zhuǎn)化自開關(guān)偏置減小尾電流源閃爍噪聲RC濾波改善帶外相噪20參數(shù)選取 開關(guān)幅度21 10kHz 1MHz注：相同振蕩頻率仿真最優(yōu)開關(guān)幅度：k 0.5開關(guān)幅度諧振腔電容決定尾電流源閃爍噪聲 和帶外相噪?yún)?shù)選取 退耦電容22 10kHz 100kHz最優(yōu)退耦電容值CD 1.5pF注：相同振蕩頻率仿真抑制負阻管閃爍噪聲變頻增益（帶內(nèi)相噪）CD 過小 源端開路CD 過大 源端短路噪聲貢獻仿真 本文

8、結(jié)構(gòu)有效減小尾電流源閃爍噪聲 同時抑制負阻管閃爍噪聲轉(zhuǎn)化 取得最小噪聲總量23結(jié)構(gòu)噪聲來源10kHz 100kHz 1MHz 固定尾電流源負阻管 fn11.4%8.5%3.5%尾電流源 fn80%63.4%26.6%噪聲總量3.76x10-87.4x10-112.7x10-13源端開路SSB負阻管 fn70%50%32%尾電流源 fn0.5%0.4%0.3%噪聲總量4.2x10-88.4x10-111.6x10-13源端短路SSB負阻管 fn67.8%63%28%尾電流源 fn0.1%0.1%0.01%噪聲總量2.1x10-83.2x10-111.1x10-13本文結(jié)構(gòu)負阻管 fn1%2.1%

9、1.8%尾電流源 fn19%5%0.8%噪聲總量0.2x10-81.1x0-111.0 x10-13注：1. 相同振蕩頻率，相同功耗仿真 2. 噪聲總量單位 V2 / Hz相位噪聲仿真24與固定尾電流源偏置比較11 dB4 dB7.5 dB12 dB8 dB與開路、短路SSB比較注：相同振蕩頻率，相同功耗仿真低功耗設(shè)計低電源電壓：1.8 V 1.2 V電流復(fù)用：NMOS、PMOS互補降低開關(guān)動態(tài)功耗：線性區(qū)偏置25開關(guān)功耗優(yōu)化傳統(tǒng)SSB： 尾電流源飽和區(qū)偏置X 開關(guān)幅度對相噪和功耗的折衷X 動態(tài)功耗過大本文結(jié)構(gòu)： 尾電流源線性區(qū)偏置 消除功耗對開關(guān)幅度依賴 有效降低功耗 相噪優(yōu)化不受功耗限制2

10、6起振分析傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)負阻：本文結(jié)構(gòu)負阻： ，負阻僅減小2.4%！27負阻電路串聯(lián)等效并聯(lián)等效振蕩頻率電容衰減因子估算振蕩頻率可以忽略 CD 28諧振腔半邊電路電路實現(xiàn)29SMIC 0.18 m CMOS工藝核心面積：0.33 mm2開關(guān)電容陣列擴展調(diào)諧范圍510 m650 m相噪測試301.2 V電源消耗 2.7 mA，振蕩頻率 2.55 GHz- 77.6 dBc/Hz 10kHz - 97.5 dBc/Hz 100kHz - 122.8 dBc/Hz 1MHz 頻率調(diào)諧31頻率范圍：2.38 2.61 GHz平均增益：51.4 MHz / V增益變化： -50 155- 113.718009

11、 TMTT *0.182.01.836.0N.A.N.A.- 134.018411 MTT-S0.182.721.20.82- 62170- 123.219311 TMTT 0.181.841.81.35-75179-126 19012 TCSI *0.1851.26.4- 66172- 110 176This Work0.182.51.23.2- 77.6181- 122.8 186注：* 正交輸出報告提綱研究背景研究內(nèi)容 低相位噪聲VCO 低功耗兩點調(diào)制器 低功耗寬帶ADPLL總結(jié)展望33直接頻率調(diào)制基于混頻器的正交調(diào)制 調(diào)制性能最佳X 功耗、面積和復(fù)雜度 直接頻率調(diào)制 易于調(diào)制、解調(diào) 恒

12、包絡(luò)信號 高效率PA 元件、功耗和面積 341. 直接VCO調(diào)頻優(yōu)點 電路模塊最少 功耗、面積最小 數(shù)據(jù)率不受限制35缺點X 沒有參考頻率X 輸出頻率隨PVT漂移2. 鎖相環(huán)閉環(huán)調(diào)制優(yōu)點 輸出頻率被鎖定 調(diào)頻性能好36缺點X 數(shù)據(jù)率受限于環(huán)路帶寬X 補償擴展帶寬，但增益 誤差惡化調(diào)制性能3. 鎖相環(huán)開環(huán)調(diào)制優(yōu)點 數(shù)據(jù)率不受限制 可關(guān)斷分頻器、CP 節(jié)省功耗37缺點X 頻率隨PVT漂移X 周期性閉環(huán)鎖定不利于連續(xù)發(fā)射4. 兩點調(diào)制優(yōu)點 數(shù)據(jù)率不受限制 頻率不隨PVT漂移38缺點X 需要兩點很好匹配兩點調(diào)制誤差影響調(diào)制數(shù)據(jù)失真惡化發(fā)射機性能來源相位失配：影響較小增益失配：主導(dǎo)作用VCO增益非線性變

13、容管失配DAC分辨率39失配校正校正準(zhǔn)則校正增益失配以低通路徑為參考40主要缺點X 要求高性能校正電路X 電路復(fù)雜度 X 不利于連續(xù)發(fā)射模擬電路校正數(shù)字電路校正本文設(shè)計設(shè)計目標(biāo) 低功耗、低成本頻率調(diào)制器同時提供接收機本振41參數(shù)指標(biāo)參考輸出頻率2.40 2.485 GHzIEEE 802.15.4數(shù)據(jù)率2 MbpsIEEE 802.15.4EVM 35%IEEE 802.15.4相位噪聲- 110 dBc/Hz 1 MHz功耗 20%失配反比于面積42解決方案C1、C2引入衰減因子增大面積減小失配C2=9C1，失配減為1/100VCO增益線性化變?nèi)莨茉鲆娣蔷€性引起VCO增益非線性43單端偏置變

14、容管分布式偏置變?nèi)莨芊植际狡脭U大線性調(diào)諧范圍正交VCO設(shè)計串聯(lián)正交耦合消除相噪和相位誤差折衷優(yōu)化諧振腔：功耗、相噪調(diào)制變?nèi)莨軠p小變?nèi)莨苁湔{(diào)頻增益線性化44調(diào)頻增益仿真Delta Sigma 調(diào)制器3階調(diào)制器隨機化輸出降低小數(shù)雜散噪聲整形改善帶內(nèi)相噪45結(jié)構(gòu)噪聲整形輸出雜散穩(wěn)定輸入輸出電平MASH 1-1-1優(yōu)中01-34MASH 1-2良良0.1250.875-12單級反饋優(yōu)優(yōu)-2.22.502單級前饋良優(yōu)0.2631.678-44MASH 1-1-1 無條件穩(wěn)定 噪聲整形性能好X 需要抑制雜散和高線性CP低位抖動抑制雜散46不加抖動13位輸入+抖動18位輸入+抖動20位輸入+抖動高線性度

15、 PFD-CP鑒頻鑒相器（PFD）傳統(tǒng)三態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)位延遲消除死區(qū)47電荷泵（CP）反饋減小電流失配電容C減小電壓抖動Mn/p 消除累積電荷CP電流仿真所用CP電流失配明顯減小！48不加反饋加入反饋最大失配：9 uA最大失配：3 uA芯片實現(xiàn)SMIC 0.18 m CMOS工藝有效面積：1.32 mm249多模分頻器（6位）3階環(huán)路濾波器頻譜測試測試儀器：Agilent 9030A參考頻率：20 MHz環(huán)路帶寬：100 kHz50參考雜散：- 64.93 dBc小數(shù)雜散：- 71.93 dBc 低位抖動抑制 9.1 dB不加低位抖動加入低位抖動相噪、調(diào)頻增益測試相位噪聲- 80 dBc/Hz 10

16、0 kHz- 114.57dBc/Hz 1 MHz51調(diào)頻增益?zhèn)鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu)：非線性所提結(jié)構(gòu)：線性增益810 kHz860 kHz970 kHz1280 kHz結(jié)果比較52Ref.Tech.(m)fo(GHz)VDD(V)Power(mW)Phase Noise 100kHz(dBc/Hz)Phase Noise 1MHz(dBc/Hz)07VLSI0.182.41.418N.A.-12309CICC0.152.451.558.5-83.1-107.510ASSCC0.182.411.89-81.9-109.310JSSC0.0652.451.212-81-12011RFIC0.132.4051.2

17、12.5-77-112This work0.182.241.810-80-114.6報告提綱研究背景研究內(nèi)容 低相位噪聲VCO 低功耗兩點調(diào)制器 低功耗寬帶ADPLL總結(jié)展望53CMOS工藝進步的影響器件尺寸 開關(guān)速度和fT 邏輯單元密度 閃爍噪聲影響 電源電壓 54數(shù)字電路不斷受益模擬電路挑戰(zhàn)增加摩爾定律數(shù)字射頻技術(shù)信號處理：電壓域 時間域電路實現(xiàn)：模擬電路 數(shù)字電路優(yōu)勢減小面積、成本減小噪聲干擾便于片上系統(tǒng)集成便于移植和測試問題功耗大于模擬實現(xiàn)量化噪聲55TI, 04 JSSC全數(shù)字鎖相環(huán)（ADPLL）窄帶ADPLL射頻通信載波：高精度、低相噪時數(shù)轉(zhuǎn)換器 (TDC)LC 數(shù)控振蕩器 (DC

18、O)寬帶ADPLL數(shù)字電路時鐘：寬頻率范圍、低功耗Bang-Bang鑒相器環(huán)形振蕩器 DCO56時數(shù)轉(zhuǎn)換器（TDC）探測小數(shù)相位誤差分辨率決定鑒頻鑒相精度分辨率影響相位噪聲所需延時鏈長度57分辨率對精度 / 相噪和功耗的折衷不適于寬帶應(yīng)用Bang-Bang鑒相器一位輸出：相位超前/滯后 功耗低、頻率寬X 精度低：整數(shù)分頻X 相位噪聲差多位輸出 提高精度和相噪性能X 跟蹤帶寬減小，穩(wěn)定性隱患58不適于高精度、低相噪應(yīng)用IBM, 08 JSSC寬帶、高精度鑒頻鑒相59窄帶 TDC鑒相 小數(shù)分頻 相位噪聲低X 功耗大寬帶 TDC 鑒相 ？ 小數(shù)分頻 相位噪聲低 降低功耗寬帶 Bang-Bang鑒相X

19、 整數(shù)分頻X 噪聲性能差 功耗低分辨率、功耗可調(diào) TDC分辨率隨頻率調(diào)節(jié)延時單元個數(shù)調(diào)整 降低功耗60方案1. 多路徑選擇 分辨率可調(diào)、功耗可變X 冗余面積過大X 漏電流大方案2. 延遲時間可調(diào) 分辨率可調(diào)、功耗可變 減小冗余面積 漏電流小方案1方案2TDC 設(shè)計61調(diào)節(jié)延遲時間 分辨率可調(diào)偽差分延時鏈單轉(zhuǎn)差驅(qū)動寬帶 DCO 3級環(huán)形振蕩器組成 頻率選擇 粗調(diào) 細調(diào)62ADPLL 整體結(jié)構(gòu)比例 - 積分二型鎖相環(huán)高階數(shù)字濾波器63電路實現(xiàn)SMIC 40nm CMOS 工藝電源電壓：1 V ADPLL 核心面積：0.25 mm264DCO 輸出頻率仿真65頻率范圍：97 MHz 1.8 GHz頻

20、段選擇 (6 Bands)730810 MHz/Band粗調(diào) (12 bits)50100 MHz/bit細調(diào) (12 bits)36 MHz/bit抖動 (7 bits) 23.446.8 kHzDCO 功耗和相噪66電流密度：0.7 1 A/MHz最大功耗：1.8 mW 1.8 GHzFrequency100 MHz1.8 GHz 10 kHz- 61 dBc/Hz- 36 dBc/Hz 100 kHz- 90 dBc/Hz- 67 dBc/Hz 1 MHz-114 dBc/Hz- 96 dBc/Hz相位噪聲TDC 仿真67工作模式：低功耗模式 (LP)高分辨率模式 (HR) DCO頻率(

21、Hz)工作模式控制位3:1分辨率(ps)單元電流 (uA)延時鏈長100 MLP00123011.444HR0107718.3130500 MLP00122834.49HR0107738.4261.0 GLP0116369.216HR1003777.8281.5 GLP0116399.711HR11031102221.8 GLP011621189HR11130120196.3dB9.4dB4.6dB0.7mW1.2mWXX根據(jù)應(yīng)用可靈活配置報告提綱研究背景研究內(nèi)容 低相位噪聲VCO 低功耗兩點調(diào)制器 低功耗寬帶ADPLL總結(jié)展望68(1) 低相噪、低功耗 VCO總結(jié)閃爍噪聲產(chǎn)生、轉(zhuǎn)化機制首次同

22、時減小尾電流源和負阻管的閃爍噪聲 降低相位噪聲低功耗設(shè)計消除傳統(tǒng)SSB功耗和相噪折衷 降低功耗關(guān)鍵指標(biāo)優(yōu)化設(shè)計起振分析、振蕩頻率、頻率調(diào)諧69(2) 低功耗、低復(fù)雜度兩點調(diào)制器 調(diào)制誤差來源分析減小變?nèi)莨苁?+ 改善調(diào)頻增益線性度 低復(fù)雜度、低功耗減小失配低位抖動Delta-Sigma調(diào)制器 抑制小數(shù)雜散高線性度PFD-CP 改善噪聲折疊70(3) 低功耗、寬帶 ADPLL窄帶和窄帶ADPLL結(jié)構(gòu)比較TDC、Bang-Bang 鑒相器分析首次提出分辨率和功耗可調(diào)節(jié)的TDC 適于低功耗寬帶應(yīng)用反相器陣列DCO 寬頻率范圍、低功耗71展望定量分析所提VCO對相位噪聲的影響超低功耗VCO設(shè)計：超低電壓供電ADPLL兩點調(diào)制器：減小面積、成本DCO抗干擾設(shè)計：LDO、頻率校正低功耗、高分辨率TDCADPLL整體實現(xiàn)和測試72項目經(jīng)歷73國家科技重大專項（2012.5至今） “通信和數(shù)字媒體芯片關(guān)鍵IP庫”子課題 “全數(shù)字PLL（ADPLL）原型設(shè)計及硅驗證”企業(yè)合作項目（2011.5 - 2012.4） “無線傳感射頻芯片設(shè)計”工信部重大專項（2010. 2 - 2010. 12） “