0 引言
高速,、寬分頻范圍的可編程頻率分頻器設(shè)計(jì)一直是射頻頻率綜合器設(shè)計(jì)中的難點(diǎn),它的工作速度限制了頻率合成器輸出信號(hào)的最高頻率,,它的相位噪聲影響頻率合成器的帶內(nèi)相位噪聲,。文中設(shè)計(jì)的可編程分頻器應(yīng)用于移動(dòng)數(shù)字電視接收機(jī)調(diào)諧芯片,該芯片兼容了DVB-H,、DAB標(biāo)準(zhǔn),,接收的頻段覆蓋了460~900 MHz,1 400~1 500 MHz這兩個(gè)頻段,。根據(jù)整個(gè)芯片的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì),,可編程分頻器的工作頻率為2.4~4.0 GHz,實(shí)現(xiàn)的分頻比范圍為240~400,,且為連續(xù)的,。目前高速可編程分頻器主要包括基于雙模預(yù)分頻的吞脈沖分頻器和基于基本分頻單元的多模分頻器兩種結(jié)構(gòu),前者因高速,、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn),,被廣泛應(yīng)用在射頻頻率綜合器當(dāng)中,同時(shí),,整個(gè)可編程分頻器單元模塊都采用基于源極耦合(SCL)結(jié)構(gòu)的模擬電路實(shí)現(xiàn),,相對(duì)于在低頻分頻部分采用數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)單元具有噪聲低、版圖面積小等優(yōu)點(diǎn),。檢測(cè)和置數(shù)邏輯時(shí)序的設(shè)計(jì)是可編程分頻器設(shè)計(jì)的重點(diǎn),,它直接影響到分頻器的工作頻率。本文中提出一種新的檢測(cè)和置數(shù)邏輯及電路實(shí)現(xiàn),,使得整個(gè)可編程分頻器的工作頻率提高了1倍,。本文首先給出r可編程分頻器設(shè)計(jì)的整體結(jié)構(gòu),著重描述了可編程分頻器檢測(cè)和置數(shù)邏輯電路的改進(jìn)方案;最后,,給出了版圖設(shè)計(jì)以及電路后仿真結(jié)果,。
1 可編程分頻器的結(jié)構(gòu)
1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
基于雙模預(yù)分頻器的可編程分頻器結(jié)構(gòu)如圖1所示,它由3部分構(gòu)成:N/N+1雙模前置預(yù)分頻器,、可編程計(jì)數(shù)器,、吞脈沖計(jì)數(shù)器。
輸入的頻率首先經(jīng)過(guò)預(yù)分頻器進(jìn)行分頻,,分頻比由吞脈沖計(jì)數(shù)器S給出一個(gè)信號(hào)Mode進(jìn)行控制,。可編程計(jì)數(shù)器P和吞脈沖計(jì)數(shù)器S同時(shí)開始減計(jì)數(shù),,當(dāng)S計(jì)數(shù)器減計(jì)數(shù)減為0時(shí),,雙模預(yù)分頻器分頻比由N+1變?yōu)镹,S計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù),,P計(jì)數(shù)器繼續(xù)減計(jì)數(shù),;當(dāng)P計(jì)數(shù)器減計(jì)數(shù)到0時(shí),通過(guò)反饋回路使P,,S計(jì)數(shù)器重新置數(shù),,開始新一輪的計(jì)數(shù)。因此在每一次計(jì)數(shù)過(guò)程中首先進(jìn)行了S次N+1分頻,,再進(jìn)行了P-S次N分頻,,故輸出信號(hào)為:
分頻比M=PN+S。
根據(jù)調(diào)諧器芯片系統(tǒng)所需要的頻率合成范圍及精度要求以及采用的TSMC 0.13/μm工藝,,該設(shè)計(jì)將雙模前置分頻器設(shè)計(jì)為4/5雙模分頻器,,P計(jì)數(shù)器為7位、S計(jì)數(shù)器為2位,。因此該可編程分頻器可實(shí)現(xiàn)的最大分頻比為515,。
1.2 4/5預(yù)分頻器結(jié)構(gòu)
4/5預(yù)分頻器采用同步計(jì)數(shù)結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)如圖2所示,,由3個(gè)SCL結(jié)構(gòu)的D觸發(fā)器和兩個(gè)與非門構(gòu)成,。Mode信號(hào)為分頻比控制信號(hào),當(dāng)Mode為“1”時(shí),,預(yù)分頻器分頻比為5,,當(dāng)Mode為“0”時(shí),預(yù)分頻器分頻比為4,。由于4/5預(yù)分頻器直接工作在VCO的輸出頻率下,,是整個(gè)可編程分頻器工作頻率最高的部分,因此這部分的電路設(shè)計(jì)主要偏重于速度,,其功耗是最高的,。這部分電路采用SCL結(jié)構(gòu)的模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn),SCL結(jié)構(gòu)的電路由開關(guān)管對(duì)尾電流的導(dǎo)通控制來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯電平的轉(zhuǎn)換,其工作速度高,,滿足設(shè)計(jì)的要求,。D觸發(fā)器由時(shí)鐘反連的2個(gè)D鎖存器構(gòu)成,同時(shí)為了減少門延遲以提高工作速度以及降低功耗,,將與非邏輯門集成于D觸發(fā)器內(nèi),,帶有與非邏輯的D觸發(fā)器電路如圖3所示。
1.3 可編程計(jì)數(shù)器和吞脈沖計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)
可編程計(jì)數(shù)器P和吞脈沖計(jì)數(shù)器S工作在分頻器頻率較低的頻段,,采用簡(jiǎn)單的異步計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)分頻功能,。這部分的電路一般有兩種實(shí)現(xiàn)方式:模擬電路和數(shù)字電路,在該設(shè)計(jì)采用基于SCL的模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn),,相對(duì)于數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)雖然消耗了一定的靜態(tài)功耗,,但電路噪聲很低,,版圖面積小,,性能更加好。整個(gè)可編程分頻器結(jié)構(gòu)如圖4所示,。
其中P計(jì)數(shù)器部分由7個(gè)帶置數(shù)功能的D觸發(fā)器構(gòu)成,;S計(jì)數(shù)器部分由2個(gè)相同的D觸發(fā)器構(gòu)成,另外包括2個(gè)與非門構(gòu)成反饋邏輯控制預(yù)分頻器的分頻比,;檢測(cè)和置數(shù)邏輯電路由5個(gè)與門和1個(gè)或門構(gòu)成,。D觸發(fā)器和邏輯門電路都是由基于SCL結(jié)構(gòu)的模擬電路實(shí)現(xiàn),全差分結(jié)構(gòu),。在P計(jì)數(shù)器和S計(jì)數(shù)器中,,每個(gè)D觸發(fā)器構(gòu)成一個(gè)2分頻器,每個(gè)2分頻器再級(jí)聯(lián),。檢測(cè)和置數(shù)邏輯的功能是使得P計(jì)數(shù)器和S計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)完后自動(dòng)置數(shù),,這部分的設(shè)計(jì)很關(guān)鍵,直接影響了整個(gè)分頻器的工作頻率,,在本文中提出了一種新的檢測(cè)和置數(shù)邏輯,,提高了分頻器的工作性能和工作頻率。以下通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)的檢測(cè)置數(shù)邏輯和改進(jìn)后的檢測(cè)與置數(shù)邏輯來(lái)說(shuō)明改進(jìn)后的優(yōu)勢(shì),。
1.3.1 傳統(tǒng)的檢測(cè)與置數(shù)邏輯設(shè)計(jì)
在傳統(tǒng)的基于雙模分頻器的可編程分頻器設(shè)計(jì)中,,是對(duì)P計(jì)數(shù)器減計(jì)數(shù)到0時(shí)檢測(cè),并通過(guò)一定的時(shí)序邏輯產(chǎn)生一個(gè)置數(shù)使能信號(hào)使得P計(jì)數(shù)器和S計(jì)數(shù)器進(jìn)行置數(shù),。其檢測(cè)與置數(shù)邏輯電路如圖5所示,,當(dāng)P計(jì)數(shù)器減計(jì)數(shù)到0時(shí),P計(jì)數(shù)器中每個(gè)D觸發(fā)器Qn端輸出都為1,,這時(shí)級(jí)聯(lián)的與門邏輯輸出從0跳變到1,,形成一個(gè)上升沿(為一個(gè)檢測(cè)信號(hào))。這個(gè)上升沿作為帶有復(fù)位功能的D觸發(fā)器(DFF-RE)時(shí)鐘輸入,DFF-RE的復(fù)位端由4/5預(yù)分頻器輸出控制,,即在嚴(yán)格的時(shí)序控制下,,當(dāng)檢測(cè)到P計(jì)數(shù)器減計(jì)數(shù)到0時(shí)產(chǎn)生一個(gè)上升沿信號(hào),此時(shí)DFF-RE打開,,這個(gè)上升沿信號(hào)使得DFF-RE輸出從0變?yōu)?,,一段時(shí)間后DFF-RE關(guān)閉,故形成了一個(gè)置數(shù)脈沖,,使得計(jì)數(shù)器重新置數(shù),。
在這種結(jié)構(gòu)中,檢測(cè)和置數(shù)的整個(gè)過(guò)程必須在輸入信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)完成,,從而限制了分頻器的工作頻率,。下面通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)檢測(cè)置數(shù)邏輯的時(shí)序分析來(lái)說(shuō)明在輸入頻率較高時(shí)出現(xiàn)掉脈沖的現(xiàn)象,其時(shí)序圖如圖6所示,,其中fin為分頻器的輸入信號(hào),,fp為4/5分頻器的輸出信號(hào),同時(shí)作為DFF-RE的復(fù)位信號(hào),,Ld0為P計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到0時(shí)的檢測(cè)組合邏輯電路輸出的信號(hào),,Ld為置數(shù)使能信號(hào),即DFF-RE的輸出信號(hào),,Mode為控制4/5分頻器分頻數(shù)的信號(hào),。由圖中可知,在P計(jì)數(shù)器減計(jì)數(shù)到0時(shí),,檢測(cè)邏輯輸出一個(gè)脈沖(Ld0),,從P計(jì)數(shù)到0到檢測(cè)脈沖信號(hào)產(chǎn)生有一個(gè)門延遲的t0,檢測(cè)脈沖到置數(shù)脈沖(Ld)的產(chǎn)生延遲時(shí)間為t1,,Mode信號(hào)的產(chǎn)生延遲為t2,。故從檢測(cè)到Mode信號(hào)上升沿的總延遲時(shí)間為t0+t1+t2,若這個(gè)總延遲時(shí)間大于了一個(gè)輸入信號(hào)的周期,,如圖6所示,,Mode信號(hào)控制的4/5預(yù)分頻器本該2次5分頻變?yōu)?次5分頻和1次4分
頻,從而出現(xiàn)了掉脈沖的現(xiàn)象,,最終導(dǎo)致整個(gè)分頻比錯(cuò)誤,。
1.3.2 改進(jìn)的檢測(cè)與置數(shù)邏輯設(shè)計(jì)
根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,分頻器工作的最高頻率需達(dá)到4.0 GHz,,基于傳統(tǒng)的檢測(cè)置數(shù)邏輯的分頻器很難穩(wěn)定的工作在此頻率下,。因此,在該設(shè)計(jì)采用在P計(jì)數(shù)器減計(jì)數(shù)到1檢測(cè),,通過(guò)一定的時(shí)序控制下,,當(dāng)P計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到0時(shí)置數(shù),,這樣檢測(cè)和置數(shù)的過(guò)程在2個(gè)輸入脈沖周期內(nèi)完成,相對(duì)于計(jì)數(shù)到0檢測(cè)的分頻器,,工作頻率可以提高2倍,。以下具體分析改進(jìn)后的檢測(cè)置數(shù)邏輯時(shí)序。在改進(jìn)后的檢測(cè)置數(shù)邏輯中,,如圖4所示,,當(dāng)P計(jì)數(shù)器減計(jì)數(shù)到0000001時(shí),P計(jì)數(shù)器中DFF3~DFF7的QN端輸出都為1,,因此AND0輸出由0變?yōu)?,,AND0輸出反相信號(hào)作為DFF-RE復(fù)位端信號(hào),而4/5分頻器輸出的反相信號(hào)作為DFF-RE的時(shí)鐘信號(hào),。其檢測(cè)和置數(shù)時(shí)序邏輯圖如圖7所示,,當(dāng)檢測(cè)到P計(jì)數(shù)到1后,DFF-RE便打開,,置數(shù)脈沖的產(chǎn)生延遲為t0,,Mode信號(hào)的產(chǎn)生延遲為t1,故由檢測(cè)到Mode上升沿信號(hào)的總延遲為t1+t2,,相比圖6,,少了一個(gè)門延遲,,使得4/5預(yù)分頻器正確的進(jìn)行了2次5分頻,,避免了掉脈沖的現(xiàn)象。從對(duì)改進(jìn)的檢測(cè)置數(shù)邏輯時(shí)序分析可知,,改進(jìn)后的設(shè)計(jì)使得可編程分頻器能夠工作在更高的頻率下,。
2 電路版圖設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果
2.1 可編程分頻器版圖設(shè)計(jì)
整體可編程分頻器的版圖如圖8所示,由于分頻器中各單元電路都是差分結(jié)構(gòu),,需要考慮到器件的匹配設(shè)計(jì),,同時(shí)對(duì)單元電路需要合理布局,以減小關(guān)鍵路徑的連線延遲和節(jié)省版圖面積,。
2.2 可編程分頻器仿真結(jié)果
本文的仿真結(jié)果是在提取版圖寄生參數(shù)后,,進(jìn)行后仿真得到的結(jié)果。最高工作頻率可達(dá)4.5 GHz,,在工作電壓2.5 V下消耗功率約為19 mW,。圖9是工作頻率在4.5 GHz下,4/5分頻器的后仿真波形,。圖10是可編程分頻器在4.5 GHz下,,分頻比為450,P計(jì)數(shù)器預(yù)置數(shù)112,,S計(jì)數(shù)器預(yù)置數(shù)2時(shí)的工作波形,。從圖中可看出整個(gè)可編程分頻器能夠在4.5 GHz下實(shí)現(xiàn)正確的分頻,。
3 結(jié)語(yǔ)
對(duì)于射頻頻段的頻率綜合器,分頻器成為了制約環(huán)路速度的一個(gè)瓶頸,。本文通過(guò)對(duì)吞脈沖結(jié)構(gòu)的可編程分頻器的檢測(cè)和置數(shù)邏輯電路的改進(jìn),,使得分頻器的工作速度可以達(dá)到4.5 GHz,滿足了多標(biāo)準(zhǔn)移動(dòng)數(shù)字電視接收機(jī)調(diào)諧芯片的系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo),,同時(shí)由于該分頻器具有連續(xù)的寬分頻比,,使其也可應(yīng)用于其他射頻無(wú)線收發(fā)芯片中。同時(shí),,采用SCL結(jié)構(gòu)的模擬電路實(shí)現(xiàn)整個(gè)可編程分頻器使得芯片面積較小,,約為106 μm×187μm。