噪声总量 负阻管 fn 尾电流源 fn 噪声总量 负阻管 fn 尾电流源 fn 噪声总量
2 Ceff
Ceff A
15
闪烁噪声转化机制 — 负阻管
3. 寄生电容非线性引起的AM-FM转换 4. 差分对共模点二次谐波引起的AM-FM
L Vp
L C R
Vn
Ceff
4Vos
3 A
(2Cgs
Ct )
Vos NM1
Cgs Vs
NM2 Cgs
IB
Ct
16
研究目标
• 2.4 GHz Zigbee应用VCO • 降低闪烁噪声改善相噪
PM2 Vn
NM2 C2
NM3
NM4
单纯减小噪声来源难以获取低功耗和小面积
14
闪烁噪声转化机制 — 尾电流源
1. 可变电容非线性引起的AM-PM转换 2. 尾电流源的Groszkowski效应
L
L
C
C
C
Vp
R
Vn
Vc
NM1
i fn
NM2
IB
A
2
IBR
o
1 LCeff
K AM FM
o
A
1 o
Distance (m)
100
802.11 b
802.11 g
WLAN
10 Bluetooth
Zigbee
1 1
WPAN
10
100
Data Rate (Mbps)
Zigbee 应用
5
射频收发系统
• 发射机 ➢ 调制信号、上变频发射
• 接收机 ➢ 下变频接收、解调数据
• 频率合成器 ➢ 提供载波/本振、调制 ➢ 射频收发机的“心脏”
6
频率合成器
• 实现结构 ➢ 电荷泵锁相环 (CP-PLL) ➢ 全数字锁相环 (ADPLL)
• 关键指标
➢ 频率范围和精度
CP-PLL
➢ 低功耗：待机时间, 节能环保
FCW
Reference Phase
➢ 低相位噪声：信号纯度
FREF
➢ 低成本：面积和复杂度
➢ 高集成度：片上系统（SoC）
TDC
+
Phase
Error Digital
DCO
fout
Filter
-
Digital Control
Variable Phase
CKV
ADPLL
7
研究现状
• 压控振荡器（VCO）
➢ 相位噪声模型和抑制技术 （UCLA、Stanford、MIT、Milan、Lund） ➢ 相噪降低以功耗、面积为代价 ➢ 低功耗下的低相噪设计仍是难点和热点
13
减小噪声来源 – 闪烁噪声
• 产生机理
➢ 氧化层界面随机捕获/释放 ➢ 与捕获记忆效应f
gm2
• 减小方法
➢ 增大器件尺寸 变频增益增大 X
➢ 减小跨导
起振条件受限 X
➢ 减小记忆效应 减小MOS管闪烁噪声✓ 动态功耗增大 X
PM1 Vp
NM1 C1
L
(Δω)
10
log
4kTR A2
1
4γI B R πA
4 9
γgmB R
ωo 2QΔω
2
Vp
R
Vn
L (Δω)
1 f3
NM1
NM2 转化
1 f2
10log(2FkT / Ps )
NM0
Δω1/ f 3 ωo 2Q
log(Δω)
12
减小噪声来源 – 尾电流源
L
C Vp
L
C Vn
L
• 频率合成器
➢ 系统架构优化功耗和性能 （MIT、IME、Samsung、Tsinghua） ➢ 高复杂度增加成本 ➢ 低功耗、低复杂度设计更具实用价值
• 全数字锁相环（ADPLL）
➢ 窄带高精度和宽带低功耗 （TI、IBM、Intel、Samsung、Infineon） ➢ 高精度消耗高功耗、低功耗得到低精度 ➢ 宽带低功耗、高精度存在空白
➢ 减小来源噪声 ➢ 抑制噪声转化 • 保持低功耗 • 优化频率调谐等指标
17
改进的自开关偏置
• 自开关偏置（SSB）减小尾电流源闪烁噪声
➢ 开关信号幅度可控：Cc、Cf ➢ 开关信号直流偏置可调：VB
• RC滤波改善带外相噪
PM1 Vp
LC tank
PM2 Vn
NM1
NM2
NM3 CC
RB
RB
Cf
C Vp
L
C Vn
L
C Vp
L
C Vn
移除尾电流源
✓ 尾电流源噪声消除 ✓ 电压余度增加 X 功耗增加 X 易受地噪声影响
Rt
尾部电阻偏置
✓ 尾电流源噪声减小 ✓ 地噪声影响减弱 X 存在电阻热噪声
Vs
Lf
Ct
VB Cf
尾电流源滤波
✓ 尾电流源噪声滤除 ✓ 地噪声没有影响 ✓ 功耗没有增加 X 面积过大 X 不适于宽带
10
相位噪声影响
• 定义
L
(Δω)
10
log
Pn
(ωo Δω) Ps (ωo )
• 影响
➢ 接收机：恶化信噪比，增加误码率 ➢ 发射机：破坏有用信号，增加调制误差
接收机
ω2 ω1
发射机
11
VCO的相位噪声
• 噪声来源
➢ 谐振腔电阻 ➢ 负阻管 ➢ 尾电流源
L
L
C
• 噪声影响
➢ 闪烁噪声 1/ f 3 区 ➢ 热噪声 1/ f 2 区
Cf
NM4 CC
Vn
VB
Vp
源端开路SSB (Open)
源端短路SSB (Short)
18
噪声贡献仿真
✓ SSB有效减小尾电流源闪烁噪声 X 负阻管贡献显著增大 X 总噪声改善有限
结构
噪声来源
@10kHz @100kHz @1MHz
固定 尾电流源
源端开路 SSB
源端短路 SSB
负阻管 fn 尾电流源 fn
8
研究内容
• 低相位噪声VCO
➢ 闪烁噪声产生和变频转化机制 ➢ 相位噪声抑制技术 ➢ 低功耗设计
• 低功耗两点调制器
➢ 低功耗、低复杂度结构 ➢ 杂散抑制技术
• 低功耗宽带ADPLL
➢ 低功耗时数转换器（TDC）研究 ➢ 宽带数控振荡器（DCO）设计
9
报告提纲
• 研究背景 • 研究内容
➢ 低相位噪声VCO ➢ 低功耗两点调制器 ➢ 低功耗宽带ADPLL • 总结展望
➢ 低相位噪声VCO ➢ 低功耗两点调制器 ➢ 低功耗宽带ADPLL • 总结展望
3
无线的世界
• 无线通信和传感迅速发展：手机，WLAN，物联网 … • CMOS工艺不断进步：65nm，40nm，28nm … • 低功耗、低成本芯片成为核心竞争力
4
2.4 GHz ISM 无线标准
• WiFi：较远距离、高数据率传输、功耗大 • Bluetooth：近距离、低数据率、功耗大 • Zigbee：近距离、低数据率、低功耗
低功耗频率合成器的关键技术研究
微纳电子系统集成研究中心
Micro/Nano-Electronic Systems Integration R&D Center
报告提纲
• 研究背景 • 研究内容
➢ 低相位噪声压控振荡器 ➢ 低功耗两点调制器 ➢ 低功耗宽带全数字锁相环 • 总结展望
2
报告提纲
• 研究背景 • 研究内容