超低功耗5.8GHz雙模前置分頻器設(shè)計

0 引言

隨著移動通信技術(shù)的迅速發(fā)展，對射頻電路的高速、低功耗要求日益增長?；阪i相環(huán)(PLL)結(jié)構(gòu)的頻率合成器是收發(fā)機前端電路的重要組成部分，對為混頻器提供純凈的本振信號，具有重要地位。在PLL中，壓控振蕩器(VCO)和前置分頻器(Prescaler)是工作在最高頻率的兩個模塊，它們是限制 PLL工作頻率的主要瓶頸，因此提高前置分頻器的工作速度是解決限制PLL工作頻率上限的一個關(guān)鍵因素。為了滿足高頻通信的要求，必須對前置分頻器和 VCO進行高速、低功耗的優(yōu)化設(shè)計。

雙模前置分頻器以D觸發(fā)器為主要單元。近年來涌現(xiàn)了很多不同結(jié)構(gòu)的高速D觸發(fā)器。第1種是靜態(tài)SCL結(jié)構(gòu)，由ECL電路結(jié)構(gòu)演變而成。與傳統(tǒng)的靜態(tài)分頻器相比，由于它的擺幅較小，所以工作速度快。但是典型SCL結(jié)構(gòu)的2分頻電路包括尾電流源在內(nèi)至少需要18個MOS管，MOS管無法做到小尺寸，導(dǎo)致輸入電容很大甚至超過了管子本身的電容，所以SCL分頻器功耗較高。第2種是動態(tài)的TSPC(單相時鐘)結(jié)構(gòu)，它采用單相時鐘的TSPC技術(shù)使構(gòu)成分頻器的元件數(shù)目減少，可以提高電路的工作速度，同時這種電路的功耗極低，所以經(jīng)常在前置分頻器中采用。TSPC分頻器的不足是噪聲性能不佳，因為動態(tài)單端結(jié)構(gòu)比SCL結(jié)構(gòu)更容易受噪聲的影響。第3種是注鎖式(iniected-locked)電路，由于要使用電感器，因而它的體積過大且工藝難度高，很少被應(yīng)用。具體采用哪種電路結(jié)構(gòu)應(yīng)視情況而定。

本文采用動態(tài)TSPC結(jié)構(gòu)，利用TSMC 90nm 1P9M 1．2VCMOS工藝，設(shè)計了一個適用于WLAN IEEE802．11a標(biāo)準(zhǔn)的雙模前置分頻器，具有高速、低壓、低功耗的特點。

1 電路設(shè)計

1．1 電路總體架構(gòu)

雙模前置分頻器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括三個部分：同步2／3分頻器，由異步除2分頻器構(gòu)成的分頻器鏈，以及反饋部分?？刂菩盘朚C控制分頻比，當(dāng)MC=1時為32分頻，當(dāng)MC=O時為33分頻。

圖l雙模前置分頻器結(jié)構(gòu)圖

本設(shè)計基于上述傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過減少高頻同步分頻器單元中MOS管的個數(shù)，達到降低功耗的目的。

1．2 同步分頻器設(shè)計

同步2／3分頻器的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，它是整個分頻器工作頻率最高的部分，亦是決定前置分頻器速度和功耗的關(guān)鍵部分。

MC為邏輯高電平時，電路實現(xiàn)2分頻；MC為邏輯低電平時，電路實現(xiàn)3分頻。采用同步2／3分頻器，大大減少了工作在高頻部分MOS管的數(shù)目，從而同步部分的功耗有所下降。同時將“與”門設(shè)計在D觸發(fā)器中。這種集成“與”門的觸發(fā)器不但簡化了電路設(shè)計，而且避免了單獨設(shè)計邏輯門所帶來的寄生參數(shù)的影響，減少了速度損失，從而很好地緩解了工作速度和功耗之間的矛盾。

1．3 優(yōu)化功耗

從以上的分析可以看出，電路最大的功耗來自同步2／3分頻器，但無論是同步2／3分頻器還是異步分頻器鏈都必須采用D觸發(fā)器，因此設(shè)計好高速低功耗的D觸發(fā)器是影響整個分頻器速度和功耗的關(guān)鍵。

圖3為常用的Yuan-Svensson型D觸發(fā)器(下降沿觸發(fā))，這種電路采用動態(tài)CMOS技術(shù)，從左至右由一個N-C2MOS級，一個P- PrechargeCMOS級和一個P-C2MOS級組成。相對于傳統(tǒng)的靜態(tài)分頻器，它的各項性能已經(jīng)有了明顯的改善，但是由于大多數(shù)MOS管既是前級的負載管又是后級的驅(qū)動管，每一級三個MOS管疊加帶來了大的RC延遲，所以就算減小其尺寸也不能提高速度。為此我們對圖3中的C2MOS電路進行改進，用鐘控偽PMOS反相器代替N-C2MOS，這樣MOS管的數(shù)目、負載電容都有減小。同樣用鐘控偽NMOS反相器代替PC2MOS，構(gòu)成圖4所示的動態(tài)有比鎖存器，當(dāng)時鐘信號為低(高)電平時鎖存器工作在求值(保持)模式，與Yuan-Svensson結(jié)構(gòu)的D觸發(fā)器相比具有更低的RC，因此減小了功耗和傳輸延遲。

需要注意的是，當(dāng)圖4的鎖存器工作在求值模式時(CLK為低電平)，如果此時輸入信號D由高電平向低電平變化，則輸出Q的狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致誤操作。于是需要在鎖存器的輸入端加上一級時鐘偽PMOS，如圖5，以防止圖4所示的鎖存器工作在求值模式時輸入端D電壓發(fā)生由高到低的翻轉(zhuǎn)，保證鎖存器的輸出在單個周期僅可以改變一次。圖5即為本文采用的負邊沿觸發(fā)的動態(tài)D觸發(fā)器，相比于圖3所示的YuanSvensson D觸發(fā)器，動態(tài)D觸發(fā)器的晶體管數(shù)目減少了三個，增強了時鐘的驅(qū)動能力，不僅提高了電路的工作頻率，而且大大降低了功耗。同時將“與 ”門集成到DFF中去，如圖6所示。仿真結(jié)果表明這種集成“與”門的D觸發(fā)器工作速度有一定提高，同時也降低了電路的功耗。在同步2／3分頻器中，DFFl采用的是不帶“與”門的D觸發(fā)器，DFF2采用帶“與”門的觸發(fā)器。

1．4 異步除2分頻器

經(jīng)過同步2／3分頻器分頻后，信號的頻率已經(jīng)降低。由于方波驅(qū)動較長分頻鏈時，可能引起模塊內(nèi)部某點的高電平陷落，從而造成整個電路的邏輯混亂。由于同步分頻器中D觸發(fā)器的NQ端輸出的高電平不穩(wěn)定，可以通過在Q端添加緩沖器予以解決。仿真結(jié)果表明，用該觸發(fā)器組成的異步鏈可在速度、頻率和功耗間達到很好的折衷。

2 電路的調(diào)試與仿真

調(diào)試時，首先要確定P1管與Nl管的寬長比(W／L)以保證時鐘為高電平時，圖4所示的鎖存器N2管總保持在關(guān)斷狀態(tài)，電路處于保持模式，因而輸出 O點的電壓保持不變。當(dāng)時鐘從高變?yōu)榈蜁r，鎖存器進入求值模式，此時如果輸入D為低電平，這時N2管和P2管都導(dǎo)通，要求P2管的上拉能力比N2的下拉能力弱，以保證Q點輸出VOLQ比下一級門電路的輸入電壓VIL低，即輸出在低電平范圍內(nèi)。

采用TSMC90nm CMOS工藝，電源電壓1．2V，使用Mentor公司的Eldo軟件對本設(shè)計進行仿真，仿真結(jié)果顯示，輸入頻率為5．8GHzH寸，電路功耗僅為O．8mW。

3 結(jié)論

對于一個雙模前置分頻器來說，工作的速度(輸入信號的頻率)和功耗是其性能最重要的兩個參數(shù)，本文采用動態(tài)有比D觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)，相比于傳統(tǒng)的 Yuan-SvenssonTSPC D觸發(fā)器，MOS管的數(shù)目減少了3個，這個對于VLSI來說將大大提高了其集成度，因此有著更好的工作頻率和更低的功耗。并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一個前置分頻器。完全覆蓋了WLAN IEEE802．11a通信標(biāo)準(zhǔn)的所有頻段。采用TSMC90nmCMOS工藝，電源電壓1．2V，運用Mentor公司的Elod軟件對本設(shè)計進行仿真，電路工作在5．8GHz時功耗僅為0．8mW。電路最高工作頻率可達到6．25GHz。