在过去的数十年里,锁相环（PLL）作为本振振荡器在无线通迅系统中占据了无可替代的地位。环形数控振荡器（DCRO）是全数字锁相环的基石,其决定了整个锁相环的输出频率范围和带外的相位噪声。随着通信产业的迅速发展,人们对高质量、高速度的通信需求持续增长,因此关于高精度环形数控振荡器的研究也得到了广泛的关注。本文针对应用于ZigBee系统的DCRO电路进行了深入研究,并基于TSMC 130nm CMOS工艺完成了DCRO电路的具体设计工作。本文设计的Sigma-Delta DCRO主要包括延迟单元电路、电容调谐阵列电路、Sigma-Delta调制电路和输出缓冲器。其中,延迟单元电路采用差分结构缩短了信号传输的延时;电容调谐阵列电路采用粗调和精调电容阵列并联的谐振网络,精调级单元创新性地采用两对反向并联连接的PMOS电容对的设计,实现了DCRO的频率微调;Sigma-Delta调制电路能够保证振荡频率符合要求的同时进一步提高振荡器的精度;输出缓冲器起振荡器输出信号电压缓冲的作用。仿真结果表明:Sigma-Delta DCRO可以正常工作,输出信号的中心频率在2.4GHz附近,并且频率分辨率精度达到33kHz,相位噪声为-107.9dBc/Hz@1MHz。为了进一步达成DCRO电路高性能低功耗的设计指标,本文又提出了一款工作在近阈值电源电压下的注入锁定型DCRO。本次设计采用互连电容来改变每一级延迟单元输出信号的相位,从而改善了振荡器相位噪声性能,同时对电路中的传统MOS管开关加以改进,克服了传统MOS开关在低电压下不能完全正常工作的缺点。仿真结果表明:注入锁定型DCRO可以正常工作,并且可以实现十二相输出,相位噪声为-114.85dBc/Hz@1MHz,功耗仅有0.68mW,真正意义上达到高性能低功耗的设计指标。
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