第 41 卷第 6 期 2011 年 11 月 东南大学学报 ( 自然科学版 ) JOURNALOFSOUTHEASTUNIVERSITY(NaturalScienceEdition) Vol.41 No.6 Nov.2011 doi: /j.isn

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1 第 4 卷第 6 期 20 年 月 东南大学学报 ( 自然科学版 ) JOURNALOFSOUTHEASTUNIVERSITY(NaturalScienceEdition) Vol.4 No.6 Nov.20 doi:0.3969/j.isn /868/95MHz 频段无线传感器网络低功耗电流复用频率综合器 阴亚东 2 张利红 孟海涛 杜占坤 阎跃鹏 ( 中国科学院微电子研究所, 北京 00029) ( 2 福建江夏学院电子信息科学系, 福州 35008) 摘要 : 提出了一种适用于 780( 中国 )/868( 欧洲 )/95( 美国 )MHz 频段无线传感器网络收发机的低功耗频率综合器, 采用电流复用技术使压控振荡器 (VCO) 和分频器共享偏置电流从而降低了功耗. 集成了新型锁定检测门限可编程的锁定检测器用于锁相时间指示. 频率综合器采用 0 8μmCMOS 工艺进行验证和测试. 测试结果显示 : 频率覆盖范围约为 770~930MHz; 输出信号频率为 868MHz 时带内相位噪声为 -87dBc/Hz, 频偏 00kHz 和 MHz 处相位噪声分别为 -98 和 -24dBc/Hz; 在不同锁定检测门限下测得锁定时间为 9~2μs; 在工作电压为 8V 时, 频率综合器工作电流约为 3 9mA. 关键词 : 无线传感器网络 ; 低功耗 ; 电流复用 ; 频率综合器 ; 压控振荡器 ; 锁定检测中图分类号 :TN4 文献标志码 :A 文章编号 : (20) /868/95MHzfrequencybandslowpowercurrentreusingfrequency synthesizerforwirelessensornetwork YinYadong ZhangLihong 2 MengHaitao DuZhankun YanYuepeng ( InstituteofMicroelectronicsoftheChineseAcademyofSciences,Beijing00029,China) ( 2 DepartmentofElectronicInformationScience,FujianJiangxiaUniversity,Fuzhou35008,China) Abstract:Alowpowerfrequencysynthesizersuitedforwirelessensornetworktransceiverin780 (China)/868(Europe)/95(USA)MHzfrequencybandsisproposed.Thecurentreusingtech niqueisadoptedtomakethevoltagecontroledoscilator(vco)anddividershareacommonbias curentsotocutdownthepowerbudget.anovellockdetectorwithprogrammablelocked detecting thresholdsisintegratedinfrequencysynthesizertodetectthelockedtime.frequencysynthesizerwas fabricatedin0.8μmcmos(complementarymetaloxidesemiconductor)technologyandthemeas urementwascariedout.testresultsshowthatthefrequencyrangofsynthesizeris mhz; -24dBc/Hz@MHz;themeasuredlockedtimeis9~2μswithdiferent locked detectingthresholds;thetotalcurentofsynthesizeris3.9maunder.8vsupply. Keywords:wirelessensornetwork;low power;curentreusing;frequencysynthesizer;voltage controledoscilator;lockeddetecting 在现代无线通信普遍使用的直接频率变换收发机中, 产生正交本振信号的频率综合器是关键模块, 也是主要功耗源. 低噪声 低功耗 相位匹配度 高的正交频率综合器是实现无线传感器网络收发机的关键之一. 正交本振信号的产生主要有 3 种方法 : 使 收稿日期 : 作者简介 : 阴亚东 (98 ), 男, 博士, 助理研究员,yinyadong@ime.ac.cn. 基金项目 : 国家科技重大专项资助项目 (2009ZX ). 引文格式 : 阴亚东, 张利红, 孟海涛, 等.780/868/95MHz 频段无线传感器网络低功耗电流复用频率综合器 [J]. 东南大学学报 : 自然科学版,20,4(6):46 5.[doi:0.3969/j.isn ]

2 第 6 期 阴亚东, 等 :780/868/95MHz 频段无线传感器网络低功耗电流复用频率综合器 47 用正交 VCO 直接产生, 正交 VCO 通过两路差分 VCO 相互耦合构成, 其功耗和面积都是单个 VCO 的 2 倍, 需要在相位噪声和相位匹配度之间进行折中 [] ;2 利用多相滤波器对 VCO 输出进行移相后产生, 多相滤波器结构简单, 一般采用无源 RC 网络构成, 但其适用频率范围较窄且特性易随工艺变化而变化, 无源 RC 网络会对本振信号造成衰减, 需要对本振信号进行缓冲因而功耗陡增 ;3 使用单个 VCO 产生 2 倍于本振频率的信号, 然后通过 2 分频后生成正交本振信号, 此方法的相位匹配度较高, 且分频后信号的相位噪声优于源信号, 虽然需使用更高谐振频率的 VCO 和高速分频器, 但通过采用合适的电路结构其功耗仍可较小. 本文提出了一种适用于 780MHz( 中国 ) 和 868/95MHz( 欧美 ) 无线传感器网络收发机中的低功耗频率综合器. 频率综合器通过 VCO 分频的方式产生正交本振信号, 采用电路复用技术将 VCO 和分频器 堆垛 起来以共享偏置电流从而降低功耗 [23]. 同时频率综合器集成了一套锁相环电路和一种新型锁定检测器用于锁相环锁定检测. 频率综合器设计 频率综合器图 为低功耗电流复用频率综合器结构示意图. 频率综合器由电流复用压控振荡器 (VCO)/ 源耦合逻辑 (SCL) 分频器 环路分频器 参考时钟分频器 鉴频鉴相器 (PFD)/ 电荷泵 可编程相位锁定检测器 (PLD) 和环路滤波器等构成, 其中除环路滤波器外其他模块均集成于片内. 频率综合器中分频器分频系数 (RN 和 PN) 电荷泵电流 (CPN) 相位锁定检测器锁定检测门限 (LDN) 和 VCO 子频带 (BN) 等参数均可以通过片内集成的串行同步总线进行配置更改. 图 频率综合器结构示意图频率综合器通过参考时钟分频器将片外晶振用以下方法来降低频率综合器功耗 : 用电流复输出 f REF 分频得到参考时钟 f CKR, 并将其与锁相环用技术使 VCO 和 SCL 分频器共享偏置电流从而路反馈时钟 f CKB 进行相位对比, 从而促使 PFD 驱降低功耗 ;2 优化 SCL 分频器工作特性, 尽可能动电荷泵进行充放电 ; 电荷泵输出经过片外环路滤减小其所要求的 VCO 输出摆幅, 从而间接降低波器后生成 VCO 控制电压 V tune, 以对 VCO 振荡频 VCO 功耗 ;3 频率综合器选择 VCO 的 2 分频输率进行调整 ; 当 PLD 检测到 f CKR 与 f CKB 相位差小于出作为环路分频器输入, 以降低环路分频器的工作预设检测门限并且维持一定时间后, 其输出 LD 将频率从而减小功耗. 变为高电平, 同时驱动缓冲器点亮 LED 灯.4 路正 2 电流复用 VCO/SCL 分频器设计交本振信号 I,IN,Q 和 QN 由 VCO 输出并由 SCL 图 2 为电流复用 VCO/SCL 分频器电路结构分频器 2 分频得到. 示意图. 为减少层叠晶体管数量而增大电压裕度, 频率综合器电路中各模块的工作电流主要决 VCO 只采用了 nmos 管 M 2,M 3 构成了交叉耦合定于模块中信号的频率和摆幅, 因此 VCO 和 SCL 负跨导结构. 谐振网络由片上三端电感 L 开关切分频器是频率综合器功耗的主要贡献者. 本文将采换电容阵列 (SCA) 和变容管 C v 构成. 为了覆盖

3 48 东南大学学报 ( 自然科学版 ) 第 4 卷 780,868 和 95MHz 频段,VCO 谐振范围需要达到 8%. 由于工艺偏差 电源电压和温度波动等因素将导致 VCO 的谐振范围产生偏差, 为了保证覆盖所需要的工作频段, 必须适度扩宽 VCO 谐振范围. 若只采用变容管实现谐振范围, 将导致 VCO 频率电压增益过大从而造成输出杂散干扰加强和 相位噪声恶化 [4]. 采用 SCA 扩大了 VCO 谐振范围同时获得了较小的频率电压增益. 为了保证各子频带的交叠, 变容管可变电容范围 ΔC v 应大于 SCA 中单位电容 C s. 图 2 中 nmos 管构成的旁路电容 C bp 在 VCO 与 SCL 分频器之间形成了可靠的交流地, 以防止 VCO 和分频器相互产生信号串扰. 图 2 电流复用 VCO/SCL 分频器电路结构 SCL 分频器对源耦合逻辑主从 D 触发器进行器具有较宽的工作频率范围, 应保证 W D /W L 了简化, 省略了尾电流源以增大电压裕度. 从低功 >0 4 [5]. 耗角度出发, 分频器设计应尽量使其自振荡频率 3 可编程相位锁定检测器设计 f SO 处于 VCO 振荡频率 f VCO 的一半处, 这样所需要可编程相位锁定检测器电路结构如图 3 所示, 的 VCO 信号幅度最小从而有利于减小 VCO 功其包括系统时钟抽取电路 鉴相器 可编程脉宽检耗. 同时考虑到工艺 温度等变化因素, 必须确保分测器和计数器等模块. 鉴相器对 f CKR 和 f CKB 之间的频器具有较宽的工作频率范围 ; 而其工作频率范围相位差进行鉴别并输出脉冲宽度与相位差成正比与分频器中驱动管 M 8 ~M 和锁存器交叉耦合管的脉冲信号 PW; 可编程脉宽检测器将鉴别 PW 脉 M 2 ~M 5 的沟道宽度比 W D /W L 相关, 若希望分频 图 3 可编程相位锁定检测器电路结构

4 第 6 期 阴亚东, 等 :780/868/95MHz 频段无线传感器网络低功耗电流复用频率综合器 49 冲宽度, 当脉冲宽度小于设定门限时其输出 EN 转变为高电平, 从而促使计数器进行计数 ; 计数器达到预定值后将停止计数并维持当前状态, 最终拉高输出 LD 和点亮 LED 指示灯. 在此过程中任何一次 PW 脉宽超过门限的情况都将触发计数器异步复位. 新型相位锁定检测电路采用时钟抽取电路从 f CKR 和 f CKB 中抽取系统时钟, 避免了单纯采用 f CKR 作为系统时钟而 f CKR 丢失时相位锁定检测器无法正常响应的情况. 锁定检测器中鉴相器的沿触发模式必须与 PFD 一致, 否则锁定检测器将无法正确判断. 可编程脉宽检测电路的原理为对 PW 延迟而生成信号 PWD, 利用 PWD 对 PW 进行采样并根据采样结果对 EN 进行设置. 其锁定检测门限由 PW 的延迟量所决定, 延迟量可通过 LDN 改变电容组合而改变. 不同的通信模式对本振频率稳定度要求不同, 通过改变锁定检测门限, 可以对不同本振频率稳定度要求的频率综合器锁定时间进行有效检测. 由于频率综合器在锁定过程中可能偶尔出现 f CKR 与 f CKB 之间相位差小于门限而未锁定的伪锁定状况, 锁定检测器通过计数延迟可有效甄别伪锁定状况从而避免产生错误结果. 4 其他电路模块设计 图 4 为环路分频器结构, 环路分频器由 8/9 双模预分频器 (DMP) 计数器和数值比较器等构成, 环路分频器未采用传统主从双计数器结构, 而是使用数值比较器替代从计数器, 降低了功耗和节省了芯片面积. 环路分频器分频系数 PN 的高 0 位 PN [3 4] 为主计数值, 低 4 位 PN[3 0] 为预设频道值 ; 环路分频器工作原理为当 0 位计数器计数值 CN 等于主计数值时, 计数器清零并重新进行累加计数 ; 通过比较计数值低 4 位 CN[3 0] 和预设频道而决定 DMP 的模式控制信号 M, 当 CN[3 0]< PN[3 0] 时,M 为,DMP 进行 9 分频 ; 反之,DMP 进行 8 分频 [6]. 图 5 为鉴频鉴相器 / 电荷泵电路结构, 鉴频鉴相器采用了以 R S 触发器为基础的结构, 其内部复位信号路径上的延迟单元由若干缓冲器串联构成用以消除电荷泵 死区. 采用差分电流开关和电压跟随器组成的 自举 式电荷泵电路, 有效地消除了电荷共享效应 ; 同时电荷泵电流具有可编程特性, 增加了频率综合器的使用灵活性. 2 测试结果与分析 频率综合器使用 0 8μm CMOS( 中芯国际 ) 工艺进行设计验证, 图 6 中标出了各模块的相对位 图 4 环路分频器结构图 5 鉴频鉴相器 / 电荷泵电路结构置和大小, 频率综合器芯片面积不超过 0 45mm 2. 测试中频率综合器环路带宽设置约为 50kHz, 在 8V 电源电压下, 总工作电流约为 3 9mA, 其中压控振荡器 / 分频器消耗约为 2 9mA, 其他电路消耗约为.0mA. 图 6 频率综合器芯片图 7 为实测的 VCO/SCL 分频器输出频率特性曲线, 可以看到 VCO/SCL 分频器能够正常产生 8 个子频带且相邻子频带交叠良好 ; 其频率范围为 770~930MHz, 覆盖了 95,868 和 780MHz 频带 ; 同时各子频带内频率电压增益不超过 25MHz/V. 图 8 显示了 VCO/SCL 分频器输出信号频率分别为 736GHz 和 868MHz 时频率综合器相位噪声测试结果. 从图 8 可知, 频率综合器输出信号带内相位噪声约为 -85dBc/Hz;VCO 输出和 SCL 分

5 50 东南大学学报 ( 自然科学版 ) 第 4 卷 图 7 实测 VCO/SCL 分频器输出频率特性曲线 图 9 频率综合器锁定时间测试结果 图 8 VCO/ 分频器输出信号相位噪声测试结果频器输出在偏离中心频率 00kHz 的相位噪声约为 -9 和 -98dBc/Hz;MHz 处相位噪声约为 -7 和 -24dBc/Hz. 图 9 为频率综合器进行频率跳变时锁定时间测试结果, 相位锁定检测器能够进行正确的锁定指示, 根据不同锁定检测门限设置, 频率综合器锁定时间在 9~2μs 之间变化. 表 将本文中的频率综合器性能与同类设计进行了对比, 本文设计相位噪声 频率范围等性能与同类设计相近, 但功耗和面积优于大多数设计. 虽然文献 [7] 通过使用片外高品质因素电感, 实现了更小的电流, 但是牺牲了芯片集成度 ; 同时其不能提供正交本振信号, 使用大大受限. 表 频率综合器性能比较 方法 工艺尺寸 /μm 面积 /mm 2 电流 /ma 频率范围 /MHz 相位噪声 /(dbc Hz - ) 锁定时间 /μs 正交输出 集成度 本文 0 8 < ~ <2 有 高 文献 [7] ~ <2000 无 低 文献 [8] ~ 无 高 文献 [9] ~95-0 有 高 注 : 集成度由芯片所需外接片外器件数量确定 ; 文献 [7] 需要使用片外谐振电感, 而其他设计均使用片内电感 ; 相位噪声为偏离中心频率 00kHz 处的测试结果. 3 结语 介绍了基于 0 8μm CMOS 工艺的低功耗正交频率综合器设计, 可以用于 780( 中国 )/868( 欧洲 )/95( 美国 )MHz 波段无线传感器网络收发机中本振信号的产生. 频率综合器采用了电流复用技术使 VCO 和 SCL 分频器共享偏置电流以降低功耗. 同时频率综合器中集成了一种新型锁定检测门 限可编程的锁定检测器用于锁相环锁定指示. 除锁相环路的无源滤波器外, 其他模块均集成于频率综合器中实现了高集成度. 测试结果表明频率综合器工作正常, 在 8V 供电电压下, 工作电流约为 3 9mA; 频率综合器的频率覆盖范围为 770~930 MHz; 在频率综合器输出频率为 868MHz 时, 带内噪声约为 -85dBc/Hz;00kHz 和 MHz 频偏处噪声分别约为 -9 和 -98dBc/Hz; 锁定检测器工

6 第 6 期 阴亚东, 等 :780/868/95MHz 频段无线传感器网络低功耗电流复用频率综合器 5 作正常, 根据不同锁定检测门限设置, 频率综合器锁定时间在 9~2μs 之间. 参考文献 (References) [] RomanòL,LevantinoS,BonfantiA,etal.Phase noiseandaccuracyinquadratureoscilators[c]//ieee InternationalSymposiumonCircuitsandSystems.Van couver,canada,2004:6 64. [2]OhNam Jin,LeeSang Gug.CurentreusedLCVCOs [J].IEEEMicrowaveandWirelesComponentsLet ters,2005,5(): [3] ParkKyung Gyu,JeongChan Young,ParkJae Woo, etal.curentreusingvcoanddivide by twofrequency dividerforquadraturelogeneration[j].ieeemicro waveandwirelescomponentsleters,2008,8(6): [4] HegaziE,AsadAA.Varactorcharacteristic,oscilator tuningcurves, and AM FM conversion [J]. IEEE JournalofSolid StateCircuits,2003,38(6): [5] SignhU,GreenM.DynamicsofhighfrequencyCMOS dividers[c]//ieeeinternationalsymposiumoncircuits andsystems.scotsdale,az,usa,2002: [6] 阴亚东, 郭贵良, 高海军, 等.U 波段小数分频锁相环频率综合器 [J]. 固体电子学研究与进展,200,30 (3): YinYadong,GuoGuiliang,GaoHaijun,etal.U band fractional N PLL frequencysynthesizer[j].chinese Research&ProgresofSolidStateElectronic,200,30 (3): (inChinese) [7]LinTH,KaiserW J.A900 MHz2 5 macmosfre quencysynthesizerwithanautomaticsc tuningloop [J].IEEE JournalofSolid StateCircuits,200,36 (3): [8] SimonCL,KaoH S,ChenCP,etal.Low power fulyintegratedandtunablecmosrfwirelesreceiver forism bandconsumerapplications[j].ieeetrans actionsoncircuitsandsystemsⅠ,2005,52(9): [9] 谢维夫, 李永明, 张春, 等. 一种 900MHzRFID 读卡器中的高性能 CMOS 频率综合器 [J]. 半导体学报, 2008,29(8): XieWeifu,LiYongming,ZhangChun,etal.CMOS implementationofanrf PLL synthesizerforusein RFIDsystems[J].ChineseJournalofSemicondactors, 2008,29(8): (inChinese)

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