10~37 GHz CMOS四分頻器的設(shè)計(jì)方案

　1 引言
　　隨著通訊技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對(duì)通訊系統(tǒng)中單元電路的研究也越來(lái)越多。而分頻器廣泛應(yīng)用于光纖通訊和射頻通訊系統(tǒng)中，因此，高速分頻器的研究也日益受到關(guān)注。分頻器按實(shí)現(xiàn)方式可分為模擬和數(shù)字兩種。模擬分頻器可由注進(jìn)鎖定等結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，一般具有工作頻率高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，但是分頻范圍較小，芯片面積較大。數(shù)字分頻器基于觸發(fā)器結(jié)構(gòu)，一般分頻范圍較寬，芯片面積較小，但相對(duì)于模擬分頻器其工作頻率較低，功耗較大。這里采用UMC 0．13um的CMOS工藝（其特征頻率fT約100 GHz），在電源電壓為1．2V時(shí)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)高速、寬分頻范圍的數(shù)字四分頻器。
　　2 電路設(shè)計(jì)
　　圖1為四分頻器的系統(tǒng)框圖。它由兩個(gè)二分頻器級(jí)聯(lián)而成。為了實(shí)現(xiàn)級(jí)間隔離和電平匹配，在兩個(gè)二分頻器之間加進(jìn)級(jí)間緩沖電路。為便于區(qū)分這兩個(gè)分 頻器，將前一個(gè)二分頻器稱為高速二分頻器，后一個(gè)二分頻器稱為低速二分頻器。由于要測(cè)試電路，需考慮輸進(jìn)和輸出端口的阻抗匹配。為解決這些題目，電路中設(shè) 計(jì)輸人和輸出部分。輸進(jìn)部分除實(shí)現(xiàn)輸進(jìn)阻抗匹配外，還要提供直流偏置。輸出部分用以保證測(cè)試時(shí)的阻抗匹配以及得到一定的輸出信號(hào)幅度。
　　
　　2．1 二分頻器
　　這里采用的二分頻器為全差分的共柵動(dòng)態(tài)負(fù)載結(jié)構(gòu)，其框圖和電路圖如圖2a和圖2b所示。
　　
　　該二分頻器由兩個(gè)相同的相互交叉耦合的D觸發(fā)器構(gòu)成，其中CLK和CLKn為一對(duì)差分輸進(jìn)信號(hào)。由于兩個(gè)觸發(fā)器完全相同，下面僅以圖2b中左邊 的觸發(fā)器為例進(jìn)行分析。當(dāng)CLK為低電平時(shí)，電路工作在采樣模式，開(kāi)關(guān)管VMa5導(dǎo)通，輸進(jìn)對(duì)管VMn3、VMn4用于采樣輸進(jìn)信號(hào)，PMOS負(fù)載管 VMp1、VMp2工作在線性區(qū)，其導(dǎo)通電阻很小，相應(yīng)的時(shí)間常數(shù)RC就較小，從而使得輸出結(jié)點(diǎn)Q，Qn的狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間較短； 當(dāng)CLK為高電平時(shí)，電路工作在保持模式，開(kāi)關(guān)管VMn5截止，PMOS負(fù)載管VMp1、VMp2工作在截止區(qū)，相應(yīng)的時(shí)間常數(shù)很大，而NMOS的交叉耦 合對(duì)管VMn1、VMn2形成正反饋，在保持模式下用于維持觸發(fā)器的輸出狀態(tài)，在采樣模式下加快輸出節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換速度。因此該主從結(jié)構(gòu)的觸發(fā)器形成一個(gè) 二分頻器。動(dòng)態(tài)負(fù)載技術(shù)極大地進(jìn)步了分頻器的工作速度。
　　本文目的是設(shè)計(jì)高速分頻器，因此其工作速度是考慮的首要題目。觸發(fā)器中決定工作速度的主要因素是輸出節(jié)點(diǎn)的總電容。同樣以圖2b中左邊的觸發(fā)器 為例說(shuō)明，考慮其中一個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)Qn相應(yīng)的總電容，包括與該輸出節(jié)點(diǎn)相連的所有器件的電容以及它們兩者之間連線上的寄生電容。因此在進(jìn)行電路參數(shù)設(shè)計(jì)和版 圖設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)減少這些電容。在設(shè)計(jì)兩個(gè)二分頻器電路參數(shù)時(shí)，固然兩者拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一樣，但由于側(cè)重點(diǎn)不同，所以參數(shù)設(shè)計(jì)并不相同。高速二分頻器著重進(jìn)步其工作速度，因此應(yīng)盡可能地減少輸出節(jié)點(diǎn)的電容。
　　而低速二分頻器的工作速度為高速二分頻器的一半，故速度不是考慮的主要題目。因此在對(duì)低速二分頻器電路參數(shù)設(shè)計(jì) 時(shí)，在滿足二分頻的條件下應(yīng)著重降低其功耗。另外分頻器的輸出電壓擺幅應(yīng)從兩方面考慮：首先輸出電壓擺幅過(guò)大，則充、放電過(guò)程持續(xù)時(shí)間會(huì)增加，輸出電壓擺 幅過(guò)小，則無(wú)法驅(qū)動(dòng)后續(xù)電路。而決定輸出電壓幅度的主要因素為在保持模式下動(dòng)態(tài)負(fù)載管的電阻，因此在設(shè)計(jì)電路時(shí)應(yīng)進(jìn)行折衷考慮，仔細(xì)調(diào)整各管子的參數(shù)。在 版圖設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于管子寬度比較大的應(yīng)盡量使用叉指結(jié)構(gòu)，同時(shí)應(yīng)特別留意圖2中的4條交叉耦合線應(yīng)盡可能短，尤其是高速二分頻器中的4條交叉耦合線對(duì)分頻器 的工作速度有很大的影響。