基于CMOS工艺适用于WLAN IEEE802．11a标准的双模前置分频器设计
随着移动通信技术的迅速发展，对射频电路的高速、低功耗要求日益增长。基于锁相环（pll）结构的频率合成器是收发机前端电路的重要组成部分，对为混频器提供纯净的本振信号，具有重要地位。在pll中，压控振荡器（vco）和前置分频器（prescaler）是工作在最高频率的两个模块，它们是限制 pll工作频率的主要瓶颈，因此提高前置分频器的工作速度是解决限制pll工作频率上限的一个关键因素。为了满足高频通信的要求，必须对前置分频器和 vco进行高速、低功耗的优化设计。
双模前置分频器以d触发器为主要单元。近年来涌现了很多不同结构的高速d触发器。第1种是静态scl结构，由ecl电路结构演变而成。与传统的静态分频器相比，由于它的摆幅较小，所以工作速度快。但是典型scl结构的2分频电路包括尾电流源在内至少需要18个mos管，mos管无法做到小尺寸，导致输入电容很大甚至超过了管子本身的电容，所以scl分频器功耗较高。第2种是动态的tspc（单相时钟）结构，它采用单相时钟的tspc技术使构成分频器的元件数目减少，可以提高电路的工作速度，同时这种电路的功耗极低，所以经常在前置分频器中采用。tspc分频器的不足是噪声性能不佳，因为动态单端结构比scl结构更容易受噪声的影响。第3种是注锁式（iniected-locked）电路，由于要使用电感器，因而它的体积过大且工艺难度高，很少被应用。具体采用哪种电路结构应视情况而定。
本文采用动态tspc结构，利用tsmc 90nm 1p9m 1．2vcmos工艺，设计了一个适用于wlan ieee802．11a标准的双模前置分频器，具有高速、低压、低功耗的特点。
1 电路设计 1．1 电路总体架构
双模前置分频器的基本结构如图1所示，包括三个部分：同步2／3分频器，由异步除2分频器构成的分频器链，以及反馈部分。控制信号mc控制分频比，当mc=1时为32分频，当mc=o时为33分频。
图l双模前置分频器结构图
本设计基于上述传统结构，通过减少高频同步分频器单元中mos管的个数，达到降低功耗的目的。
1．2 同步分频器设计
同步2／3分频器的结构框图如图2所示，它是整个分频器工作频率最高的部分，亦是决定前置分频器速度和功耗的关键部分。
mc为逻辑高电平时，电路实现2分频；mc为逻辑低电平时，电路实现3分频。采用同步2／3分频器，大大减少了工作在高频部分mos管的数目，从而同步部分的功耗有所下降。同时将“与”门设计在d触发器中。这种集成“与”门的触发器不但简化了电路设计，而且避免了单独设计逻辑门所带来的寄生参数的影响，减少了速度损失，从而很好地缓解了工作速度和功耗之间的矛盾。
1．3 优化功耗
从以上的分析可以看出，电路最大的功耗来自同步2／3分频器，但无论是同步2／3分频器还是异步分频器链都必须采用d触发器，因此设计好高速低功耗的d触发器是影响整个分频器速度和功耗的关键。
图3为常用的yuan-svensson型d触发器（下降沿触发），这种电路采用动态cmos技术，从左至右由一个n-c2mos级，一个p- prechargecmos级和一个p-c2mos级组成。相对于传统的静态分频器，它的各项性能已经有了明显的改善，但是由于大多数mos管既是前级的负载管又是后级的驱动管，每一级三个mos管叠加带来了大的rc延迟，所以就算减小其尺寸也不能提高速度。为此我们对图3中的c2mos电路进行改进，用钟控伪pmos反相器代替n-c2mos，这样mos管的数目、负载电容都有减小。同样用钟控伪nmos反相器代替pc2mos，构成图4所示的动态有比锁存器，当时钟信号为低（高）电平时锁存器工作在求值（保持）模式，与yuan-svensson结构的d触发器相比具有更低的rc，因此减小了功耗和传输延迟。
需要注意的是，当图4的锁存器工作在求值模式时（clk为低电平），如果此时输入信号d由高电平向低电平变化，则输出q的状态发生翻转，导致误操作。于是需要在锁存器的输入端加上一级时钟伪pmos，如图5，以防止图4所示的锁存器工作在求值模式时输入端d电压发生由高到低的翻转，保证锁存器的输出在单个周期仅可以改变一次。图5即为本文采用的负边沿触发的动态d触发器，相比于图3所示的yuansvensson d触发器，动态d触发器的晶体管数目减少了三个，增强了时钟的驱动能力，不仅提高了电路的工作频率，而且大大降低了功耗。同时将“与 ”门集成到dff中去，如图6所示。仿真结果表明这种集成“与”门的d触发器工作速度有一定提高，同时也降低了电路的功耗。在同步2／3分频器中，dffl采用的是不带“与”门的d触发器，dff2采用带“与”门的触发器。
1．4 异步除2分频器
经过同步2／3分频器分频后，信号的频率已经降低。由于方波驱动较长分频链时，可能引起模块内部某点的高电平陷落，从而造成整个电路的逻辑混乱。由于同步分频器中d触发器的nq端输出的高电平不稳定，可以通过在q端添加缓冲器予以解决。仿真结果表明，用该触发器组成的异步链可在速度、频率和功耗间达到很好的折衷。
2 电路的调试与仿真 调试时，首先要确定p1管与nl管的宽长比（w／l）以保证时钟为高电平时，图4所示的锁存器n2管总保持在关断状态，电路处于保持模式，因而输出 o点的电压保持不变。当时钟从高变为低时，锁存器进入求值模式，此时如果输入d为低电平，这时n2管和p2管都导通，要求p2管的上拉能力比n2的下拉能力弱，以保证q点输出volq比下一级门电路的输入电压vil低，即输出在低电平范围内。
采用tsmc90nm cmos工艺，电源电压1．2v，使用mentor公司的eldo软件对本设计进行仿真，仿真结果显示，输入频率为5．8ghzh寸，电路功耗仅为o．8mw。
3 结论 对于一个双模前置分频器来说，工作的速度（输入信号的频率）和功耗是其性能最重要的两个参数，本文采用动态有比d触发器的结构，相比于传统的 yuan-svenssontspc d触发器，mos管的数目减少了3个，这个对于vlsi来说将大大提高了其集成度，因此有着更好的工作频率和更低的功耗。并在此基础上设计了一个前置分频器。完全覆盖了wlan ieee802．11a通信标准的所有频段。采用tsmc90nmcmos工艺，电源电压1．2v，运用mentor公司的elod软件对本设计进行仿真，电路工作在5．8ghz时功耗仅为0．8mw。电路最高工作频率可达到6．25ghz。
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图l双模前置分频器结构图
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图3为常用的yuan-svensson型d触发器（下降沿触发），这种电路采用动态cmos技术，从左至右由一个n-c2mos级，一个p- prechargecmos级和一个p-c2mos级组成。相对于传统的静态分频器，它的各项性能已经有了明显的改善，但是由于大多数mos管既是前级的负载管又是后级的驱动管，每一级三个mos管叠加带来了大的rc延迟，所以就算减小其尺寸也不能提高速度。为此我们对图3中的c2mos电路进行改进，用钟控伪pmos反相器代替n-c2mos，这样mos管的数目、负载电容都有减小。同样用钟控伪nmos反相器代替pc2mos，构成图4所示的动态有比锁存器，当时钟信号为低（高）电平时锁存器工作在求值（保持）模式，与yuan-svensson结构的d触发器相比具有更低的rc，因此减小了功耗和传输延迟。
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