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    超寬帶壓控振蕩器電路的設計

    返回列表 來源:未知 發布日期:2022-06-23 08:37【

    基于多頻段一體化通信、雷達無線電跳頻通信以及短波通信系統對低噪聲、大帶寬等性能的需求, 提出了一種低相噪、低功耗、片上面積小、超寬帶的壓控振蕩器電路結構。雙核 VCO 的結構覆蓋了 12GHz-24GHz 的超寬帶正交頻率輸出范圍,采用 CMOS 工藝庫進行了設計仿真和版圖設計,版圖設 計面積為 0.4mm×0.65 mm。仿真結果表明,寬帶壓控振蕩器在 TT 工藝角下的調諧頻率能覆蓋 11.79~25.15GHz 的超寬范圍,24GHz 工作頻率下,1MHz 頻偏處相位噪聲能達到 -100dBc/Hz,且電路 總功耗不超過 33mW。


    無線通信系統對收發機通信速度,和工作帶寬 以及高精度頻率源、頻率穩定度是正相關的,帶寬越 大則通信速度越寬。為了提高通信的保密性、抗干擾 性,以跳頻通信為主的擴頻通信方式,可以有效規避 掉某些頻點上的干擾信號帶來的影響,從而保證通 信系統的可靠性運行。而擴頻系統的工作,除了對穩 定度、噪聲等性能的要求,足夠寬的調諧帶寬也是首 要特點。 作為頻率合成器的關鍵電路及重要組成部分的 壓控振蕩器,對整個收發系統的性能有著至關重要 的影響。壓控振蕩器的高穩定度、低相位噪聲,大調 諧帶寬、低功耗以及小片上面積[1],使得越來越多的 工程師為之付出不懈的努力,也必將成為未來對頻 率源的研究的趨勢。


    整體架構


    一種用于為頻率綜合器[2] 提供高至 12GHz 的 LO 正交輸出的壓控振蕩器解決方案。為 了覆蓋到 12GHz 的 LO 正交輸出,壓控振蕩器設計結 構需要能夠滿足 12GHz~24GHz 的頻率調諧范圍[3]同時配合頻率綜合器上的輸出級分頻驅動器,可使 頻率綜合器能為后級收發機混頻器高至 12GHz[4],低 頻能覆蓋至 20MHz 的本振輸出。 為了實現不低于 60%的寬帶頻率調諧范圍 (Frequency Tuning Range)[5],整體架構采用了雙核 (Dual-core)VCO 的結構(如圖 1 所示)。

    圖片.png

    其中,高頻 段 VCO 核覆蓋了 18GHz~24GHz 的頻率范圍區間, 低頻段 VCO 核覆蓋了 12GHz~18GHz 的頻率范圍區,兩段區間配合適當的頻率交疊范圍,確保避免 頻率空擋的出現,從而有效保證了頻率調諧范圍的 連續性VCO 架構采用了 NMOS-Only Class-B 架構,能 有效的共享偏置電流,拓寬啟動裕度,降低不平衡 度。同時擺幅輸出的最大化,在降低高頻分頻器的 設計難度的同時還能獲得更為優異的相位噪聲性。每個 VCO core 結構中都包含 9bit 開關電容 陣列和 2bit 的變容管陣列,VCO 能夠根據當前的諧 振頻率來調節變容管的接入數量、削弱 Kvco 變化、 降低 AM-PM 相位噪聲的轉化、以及保證環路特性 的穩定[9,11]。當使能 VCO bias 以及 VCO Buffer 時,可 進行頻段的切換,此時 VCO_Buffer 中的電容值可自 動調整,進而改變峰值頻率,拓展帶寬。



    壓控振蕩器的電路設計

     

    VCO 的整體結構共包含了 VCO_CORE, VCO_ VTUNE_BIAS, VCO_BUF_IBIAS, LOOP_SW, VCO_ Cwords_MUX, VCO_BUF 等模塊,部分功能模塊如圖 2 標注所示。

    圖片.png

    VCO_CORE(如圖 3 所示)為 VCO 的核心。其中, 高頻 VCO core 覆蓋了 18GHz~24GHz 的頻率范圍,低 頻 VCO core 則覆蓋了 12GHz~18GHz 的頻率范圍,雙 核共同覆蓋了 12GHz ~24GHz 的頻率調諧范圍; VCO_VTUNE_BIAS 模塊為可變電容提供了偏置; VCO_BUF_IBIAS 為 VCO 的 buffer 提供電流偏置; LOOP_SW 用于 AFC 自動頻率控制模塊工作時候控制 環路的開斷;VCO_Cwords_MUX 用于在 AFC 和外接 寄存器控制中 VCO_cwords 控制選擇電容線的信號。



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