低功耗頻率源及其應(yīng)用分析

張心澤 周金亮

我國科學(xué)技術(shù)發(fā)展以來，無線技術(shù)得到快速創(chuàng)新，使人們生活質(zhì)量得到較快提高，對(duì)移動(dòng)設(shè)備有更高的要求，比如圖像質(zhì)量、待機(jī)時(shí)間等，這就為高頻芯片低功耗發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。由此可以看到，在射頻芯片進(jìn)行研究的過程中，研究重點(diǎn)在功耗與噪聲等方面。此外，在射頻系中較為重要的是時(shí)鐘源，該模塊性能與通信質(zhì)量有較大的關(guān)系，兩者成正比例關(guān)系，以此能夠?qū)崿F(xiàn)低功耗高速率。

低功耗;頻率源;應(yīng)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(jī)等，其中頻率綜合器與信號(hào)傳輸質(zhì)量有較大關(guān)系，兩者成正比例關(guān)系。其中頻率綜合器工作原理為：參考信號(hào)與分頻器輸出通過鑒頻鑒相器進(jìn)行有效對(duì)比，在頻率與相位出現(xiàn)差異的情況下進(jìn)行頻率及相位的對(duì)比，該對(duì)比結(jié)果主要是對(duì)電荷泵電流源進(jìn)行有效控制，以此可對(duì)濾波器電荷實(shí)施全面調(diào)節(jié)，以此對(duì)振蕩器震蕩頻率進(jìn)行控制，以此分頻器輸出可對(duì)參考輸出實(shí)施跟蹤。

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

理想振蕩器輸出由以下公式進(jìn)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(huì)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(huì)在一些情況出現(xiàn)變化，而是分布在附近，因此相應(yīng)頻偏出的相位噪聲定義是：

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

其中K是玻爾茲曼常數(shù)，T是絕對(duì)溫度，若在此基礎(chǔ)上振蕩器頻率恒定，網(wǎng)絡(luò)為L(zhǎng)C無耗網(wǎng)絡(luò)，在頻偏出阻抗近似為：

由于相位噪聲與功耗之間有較大關(guān)系，若相位噪聲性能相對(duì)較低的情況下，需要載波能量現(xiàn)對(duì)較大;若輸出幅度相對(duì)較大時(shí)，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(guān)系相對(duì)較為折中，主要從電感方面對(duì)功耗與相位噪聲優(yōu)化進(jìn)行全面介紹。

成電感與品質(zhì)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(huì)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(duì)較近時(shí)，輸出幅度不會(huì)碎L(zhǎng)Q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(luò)品質(zhì)因素不能作為電感品質(zhì)因素，與電感品質(zhì)因素之間的關(guān)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(gè)，若20GHz電容支路包括變?nèi)莨苤放c開關(guān)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(shí)間內(nèi)向新頻率轉(zhuǎn)變，需要通過有一個(gè)時(shí)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(huì)產(chǎn)生一定關(guān)系，會(huì)使輸出信號(hào)與注入信號(hào)之間產(chǎn)生一定的相位差，若頻率在此過程中進(jìn)行鎖定，相位差是一個(gè)定值;若注入頻率發(fā)生變化時(shí)，會(huì)出現(xiàn)以下公式：;

該式為Adler等式，以上結(jié)果鞥能夠表示為以下等式：

其中，，在進(jìn)行鎖定的過程中，為了的對(duì)鎖定時(shí)間進(jìn)行有效計(jì)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(chǔ)上初始、最終相位與鎖定時(shí)間有較大關(guān)系。能夠通過Matlab可全面展現(xiàn)相位變化過程，并且在此基礎(chǔ)上相位在變化期間能夠有效掌握幅度變化情況，同時(shí)也可對(duì)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(guān)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(zhuǎn)化之前需要對(duì)諧振網(wǎng)絡(luò)電抗放大，由于負(fù)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(chǔ)上無法使寄生電阻與負(fù)阻無法進(jìn)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(huì)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(hào)決定，也就是相位噪聲與注入信號(hào)相同，若頻偏值逐漸是增大，會(huì)使注入信號(hào)無法對(duì)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(huì)有不同程度的改善，然而注入信號(hào)不會(huì)對(duì)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(hào)在傳輸?shù)倪^程中會(huì)對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行有效分析與校正，這在較大程度上會(huì)對(duì)相位噪聲實(shí)施改善。

綜上所述，我國無線通信技術(shù)在發(fā)展的過程中，對(duì)低功耗、高速率有較高的要求，在此基礎(chǔ)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(chǔ)上頻率資源相對(duì)比較寬，這在較大程度上能夠在一些領(lǐng)域中有較好的應(yīng)用效果。60GHz系統(tǒng)中的載波信號(hào)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(yīng)用在生物醫(yī)藥中，能夠通過無線技術(shù)對(duì)人體內(nèi)部狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效傳輸，以此到達(dá)疾病診斷的目的。

[1]覃鳳.頻率選擇表面基本理論及其應(yīng)用研究[J].電子技術(shù)，2018（7）：29-31.

[2]曹瑞，張文鋒， 吳穹.基于PLL的Ku波段頻率源設(shè)計(jì)與測(cè)試[J].電子制作，2018（2）：84-85.

[3]王晗，程誠，施嘉儒.基于ADF4351和FPGA的合成頻率源的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017（10）：34-38.