低功耗頻率源及其應用分析

張心澤 周金亮

我國科學技術發(fā)展以來，無線技術得到快速創(chuàng)新，使人們生活質量得到較快提高，對移動設備有更高的要求，比如圖像質量、待機時間等，這就為高頻芯片低功耗發(fā)展奠定了良好的基礎。由此可以看到，在射頻芯片進行研究的過程中，研究重點在功耗與噪聲等方面。此外，在射頻系中較為重要的是時鐘源，該模塊性能與通信質量有較大的關系，兩者成正比例關系，以此能夠實現(xiàn)低功耗高速率。

低功耗;頻率源;應用

在射頻系統(tǒng)中主要包括頻率綜合器、發(fā)射器與接收機等，其中頻率綜合器與信號傳輸質量有較大關系，兩者成正比例關系。其中頻率綜合器工作原理為：參考信號與分頻器輸出通過鑒頻鑒相器進行有效對比，在頻率與相位出現(xiàn)差異的情況下進行頻率及相位的對比，該對比結果主要是對電荷泵電流源進行有效控制，以此可對濾波器電荷實施全面調(diào)節(jié)，以此對振蕩器震蕩頻率進行控制，以此分頻器輸出可對參考輸出實施跟蹤。

振蕩器有不同種類，根據(jù)用途與性質不同將其分為LC振蕩器與環(huán)形振蕩器，其中環(huán)形振蕩器在運行的過程中可有效調(diào)節(jié)充放電時間常數(shù)，這在較大程度上能夠使震蕩頻率值達到最佳，LC震蕩其主要是對電容實施全面調(diào)節(jié)，以此達到對頻率進行調(diào)節(jié)的目的，中差分振蕩器在射頻電路中應用較為廣泛。

理想振蕩器輸出由以下公式進行表示：

其中是定值，因此輸出頻譜是在處的單一譜線，由于振蕩器噪聲引入，值會出現(xiàn)不同程度的變化，在此過程中引入新頻率成分，該頻率也會在一些情況出現(xiàn)變化，而是分布在附近，因此相應頻偏出的相位噪聲定義是：

在對相位噪聲的進行研究的過程中，主要是對有源電路進行有效轉換，在轉換期間可將其看作是無噪網(wǎng)絡，其電流功率譜密度為：

其中K是玻爾茲曼常數(shù)，T是絕對溫度，若在此基礎上振蕩器頻率恒定，網(wǎng)絡為LC無耗網(wǎng)絡，在頻偏出阻抗近似為：

由于相位噪聲與功耗之間有較大關系，若相位噪聲性能相對較低的情況下，需要載波能量現(xiàn)對較大;若輸出幅度相對較大時，需要具有較大的偏置電流，由此可以看出功耗與相位噪聲之間的關系相對較為折中，主要從電感方面對功耗與相位噪聲優(yōu)化進行全面介紹。

成電感與品質因素形式主要表現(xiàn)為：，由公式可以卡出，振蕩器輸出幅度會隨著LQ不斷增加，因此將此成為振蕩器處在電感受限區(qū)，若與VDD相對較近時，輸出幅度不會碎LQ增加，在此環(huán)境中將其稱之為振蕩器電感飽和區(qū)，但是在此過程中Q與LC諧振網(wǎng)絡品質因素不能作為電感品質因素，與電感品質因素之間的關系主要由以下公式表示：

其中，在低頻率中隨著隨著頻率上升而降低，若在5GHz以下，的情況下，

那么。但是，在高頻率中那個，若20GHz電容支路包括變?nèi)莨苤放c開關電容支路引起的降低不可忽略。

若鎖定振蕩器的注入頻率發(fā)生變化的情況下，其輸出很難在極短時間內(nèi)向新頻率轉變，需要通過有一個時間過程，振蕩器在鎖定的過程中，自諧振頻率與注入頻率之間會產(chǎn)生一定關系，會使輸出信號與注入信號之間產(chǎn)生一定的相位差，若頻率在此過程中進行鎖定，相位差是一個定值;若注入頻率發(fā)生變化時，會出現(xiàn)以下公式：;

該式為Adler等式，以上結果鞥能夠表示為以下等式：

其中，，在進行鎖定的過程中，為了的對鎖定時間進行有效計算，需要采取線性化與近似化處理。此外，鎖定過程主要是指數(shù)衰減，其鎖定范圍為衰減指數(shù)，并且在此基礎上初始、最終相位與鎖定時間有較大關系。能夠通過Matlab可全面展現(xiàn)相位變化過程，并且在此基礎上相位在變化期間能夠有效掌握幅度變化情況，同時也可對頻率變化情況全面掌握，由此可以看出，相位數(shù)值、頻率數(shù)值等與初始相位有較大關系，若相位、頻率在輸出的過程中數(shù)值固定，該固定數(shù)值在變化期間主要采用一定的方式來完成。

根據(jù)相位噪聲理論，將噪聲向相位噪聲轉化之前需要對諧振網(wǎng)絡電抗放大，由于負阻與寄生電阻之間互相抵消，使諧振頻率周圍電抗不斷增加，若振蕩器中不斷注入電流，在此基礎上無法使寄生電阻與負阻無法進行有效抵消，這在較大程度上能夠有效避免振蕩器輸出變大。噪聲放大電抗會出現(xiàn)不同程度的降低，由此可以看出相位噪聲的發(fā)生主要是由信號決定，也就是相位噪聲與注入信號相同，若頻偏值逐漸是增大，會使注入信號無法對相位噪聲差產(chǎn)生影響，因此注入鎖定振蕩器鎖定范圍內(nèi)的噪聲會有不同程度的改善，然而注入信號不會對鎖定范圍外噪聲產(chǎn)生影響。此外，在相位噪聲中，注入鎖定振蕩器在其中較為重要，其中相位噪聲注入信號在傳輸?shù)倪^程中會對輸出信號進行有效分析與校正，這在較大程度上會對相位噪聲實施改善。

綜上所述，我國無線通信技術在發(fā)展的過程中，對低功耗、高速率有較高的要求，在此基礎上使低功耗、高頻率發(fā)展速度不斷加快。其中，60 GHz是開放頻段，并且在此基礎上頻率資源相對比較寬，這在較大程度上能夠在一些領域中有較好的應用效果。60GHz系統(tǒng)中的載波信號主要采用了20GHz頻率綜合器，主要有電荷泵與壓控振蕩器等，一般情況下應用在生物醫(yī)藥中，能夠通過無線技術對人體內(nèi)部狀態(tài)數(shù)據(jù)進行有效傳輸，以此到達疾病診斷的目的。

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