低功耗頻率源及其應用分析

張心澤 周金亮

我國科學技術發展以來，無線技術得到快速創新，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，以此能夠實現低功耗高速率。

低功耗;頻率源;應用

在射頻系統中主要包括頻率綜合器、發射器與接收機等，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節，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，根據用途與性質不同將其分為LC振蕩器與環形振蕩器，其中環形振蕩器在運行的過程中可有效調節充放電時間常數，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節，以此達到對頻率進行調節的目的，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絡，其電流功率譜密度為：

其中K是玻爾茲曼常數，T是絕對溫度，若在此基礎上振蕩器頻率恒定，網絡為LC無耗網絡，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化進行全面介紹。

成電感與品質因素形式主要表現為：，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，若與VDD相對較近時，輸出幅度不會碎LQ增加，在此環境中將其稱之為振蕩器電感飽和區，但是在此過程中Q與LC諧振網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電容支路包括變容管支路與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生變化的情況下，其輸出很難在極短時間內向新頻率轉變，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生一定關系，會使輸出信號與注入信號之間產生一定的相位差，若頻率在此過程中進行鎖定，相位差是一個定值;若注入頻率發生變化時，會出現以下公式：;

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衰減，其鎖定范圍為衰減指數，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，相位數值、頻率數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值固定，該固定數值在變化期間主要采用一定的方式來完成。

根據相位噪聲理論，將噪聲向相位噪聲轉化之前需要對諧振網絡電抗放大，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不同程度的降低，由此可以看出相位噪聲的發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生影響，因此注入鎖定振蕩器鎖定范圍內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的過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藥中，能夠通過無線技術對人體內部狀態數據進行有效傳輸，以此到達疾病診斷的目的。

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