【摘 要】
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由于通信技术的日益发展以及低频频段的拥挤,使得毫米波频段具有广阔的应用前景。作为通信系统中的心脏,毫米波锁相环目前已经成为一个研究热点。在目前几种常用的锁相环中,全数字锁相环常用在对锁定速度、抗工艺电压温度失调要求高的应用场景中,电荷泵锁相环常用在需要连续调谐的场景中,二者各有长短,均是目前研究的热点。本文以毫米波小数分频锁相环中的Δ-Σ调制器（Delta-Sigma Modulator,DSM）
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由于通信技术的日益发展以及低频频段的拥挤,使得毫米波频段具有广阔的应用前景。作为通信系统中的心脏,毫米波锁相环目前已经成为一个研究热点。在目前几种常用的锁相环中,全数字锁相环常用在对锁定速度、抗工艺电压温度失调要求高的应用场景中,电荷泵锁相环常用在需要连续调谐的场景中,二者各有长短,均是目前研究的热点。本文以毫米波小数分频锁相环中的Δ-Σ调制器（Delta-Sigma Modulator,DSM）模块、毫米波全数字锁相环的自动频率校准（Automatic Frequency Calibration,AFC）模块为研究课题。针对Δ-Σ调制器引入的量化噪声问题、低阶Δ-Σ调制器引入的小数杂散问题、以及全数字锁相环中数控振荡器频率控制字校准问题提出了相应的解决方法。本文的主要工作可总结为:针对Δ-Σ调制器作为一个量化系统会向锁相环环路引入量化噪声的问题,本文首先对Δ-Σ调制器基本结构进行分析,初步得到了在低阶Δ-Σ调制器中改善带内信噪比的方法;再通过对高阶Δ-Σ调制器结构的分析,选取多级噪声整形（Multi Stage Noise Shaping,MASH）结构;针对MASH结构组成的低阶调制器输出随机性较差会导致小数杂散的问题,对单阶调制器结构进行优化。在对Δ-Σ调制器硬件结构进行优化后,本文设计了一种24比特、输出序列周期长度为(224-3)×224×(224-1)的MASH 1-1-1结构Δ-Σ调制器。基于40nm-CMOS工艺对该模块进行综合、自动布局布线后仿真结果功能符合要求,输出序列具有平滑的量化噪声功率谱,版图面积为100.98μm×48.06μm。针对毫米波全数字锁相环中数控振荡器频率控制字快速校准的问题,通过对电荷泵锁相环中自动频率校准模块的工作原理进行分析,再通过对压控振荡器、数控振荡器的输入输出特性相比较,可以得出自动频率校准模块在毫米波全数字锁相环中使用的可行性。通过对频率搜索算法、时钟计算方法进行优化后,设计了一个校准4比特粗调控制字和5比特中调控制字的应用于毫米波全数字锁相环中的自动频率校准模块。该模块在粗调校准中量化周期为100个参考时钟周期,在中调校准中量化周期为1600个时钟周期,可以准确分辨出当前校准状态下大于最小调谐增益的频率差。基于40nm-CMOS工艺对该模块进行综合、自动布局布线后仿真功能,仿真结果中控制字的选择符合要求,模块的版图面积为83.95μm×38.65μm。
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