UHF RFID阅读器中Delta-Sigma Fractional-N频率合成器的研究

论文摘要

超高频射频识别（UHF RFID）的巨大市场潜力推动了阅读器（Reader）和标签（Tag）的研究和开发。频率合成器是阅读器中最关键的部分，随着CMOS工艺的不断发展，频率合成器的单片集成已经成为可能。 本文从UHF RFID的协议及频谱规范出发，系统地论述了阅读器中Delta-Sigma Fractional-N频率合成器的理论和实现，并且创新性地研究了频率合成器中的许多关键技术。 首先，根据UHF RFID阅读器中发射机的频谱特性和接收机的链路特征，本文系统地分析了阅读器中频率合成器的设计指标，并通过仿真模型验证了指标的正确性。 第二，基于阅读器的射频参数和频率合成器的设计指标，本文系统地分析了频率合成器的环路参数和噪声特性，保证所设计的环路指标能够满足锁相环频率合成器的噪声要求，在噪声合格前提下，设计出环路中的关键电路指标，包括环路带宽、VCO增益、电荷泵电流、分频比及滤波器参数等。 第三，设计出高Q值的锥形差分电感，从根本上改善VCO的相位噪声特性。锥形差分电感不但提高谐振网络的品质因素，改善相位噪声性能，并且有效地降低了芯片的面积。 第四，提出对称噪声滤波方案，并将其运用到压控振荡器的设计中，有效地解决了N/PMOS互补交叉耦合型（Complement Cross-Couple）VCO中电流源和电源中的噪声混频问题，芯片验证表明该措施效果明显。 第五，基于误差反馈型Delta-Sigma调节器，本文提出系数重配置方案，灵活动态地配置反馈回路中的系数，在环路参数变化时能相应地改变零点位置，增加芯片的可靠性和流片的一次成功率。 第六，提出基于同步补偿的压控振荡器增益线性化方案，解决由于频率调节而引起的增益变化问题，提高了环路的稳定性。 最后，基于频率合成器的设计指标，首次设计出应用于UHF RFID阅读器系统的Delta-Sigma Fractional-N频率合成器，流片测试表明芯片的主要指标都满足阅读器系统的要求，该设计为进一步的研究工作打下坚实的基础。

论文目录

• 目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 研究背景
• 1.2 超高频射频识别阅读器的架构及设计挑战
• 1.3 射频识别阅读器中频率合成器的研究现状
• 1.4 论文的主要工作及创新点
• 1.5 论文的组织结构
• 参考文献
• 第二章 UHF RFID阅读器中频率合成器设计指标分析
• 简介
• 2.1 UHF RFID通信方式
• 2.2 UHF RFID协议分析
• 2.3 UHF RFID频率规范
• 2.4 UHF RFID阅读器中与频率合成器相关的系统参数分析
• 2.5 阅读器中频率合成器相位噪声指标分析
• 2.6 UHF RFID阅读器中频率合成器的设计指标
• 2.7 小结
• 参考文献
• 第三章 PLL频率合成器环路结构及噪声分析
• 简介
• 3.1 PLL频率合成器系统模型
• 3.2 PLL频率合成器的结构分析
• 3.3 频率合成器的环路参数设计
• 3.4 FRACTIONAL-N频率合成器的杂散泛音（SPUR TONE）分析
• 3.5 RFID频率合成器的指标设计和结构选取
• 3.6 △ ∑ FRACTIONAL-N频率合成器系统噪声的研究分析
• 3.7 △ ∑ FRACTIONAL-N频率合成器噪声的仿真验证
• 3.8 小结
• 参考文献
• 第四章 低噪声电感电容压控振荡器的研究
• 简介
• 4.1 振荡电路的基本原理
• 4.2 压控振荡器的类型及拓扑结构
• 4.3 电感电容压控振荡器分析
• 4.4 无源电感的片上实现
• 4.5 对称噪声滤波技术与VCO设计
• 4.6 对称噪声滤波技术的芯片验证
• 4.7 小结
• 参考文献
• 第五章 误差反馈型DELTA-SIGMA调节器的研究
• 简介
• 5.1 DELTA-SIGMA调节器基本原理
• 5.2 DELTA-SIGMA调节器结构类型分析
• 5.3 单环多比特DSM分析
• 5.4 系数重配置多比特误差反馈DELTA-SIGMA调节器
• 5.5 调制器的实现方法
• 5.6 射频识别阅读器中频率合成器DELTA-SIGMA调节器指标
• 5.7 小结
• 参考文献
• 第六章 UHF RFID阅读器中频率合成器芯片的设计
• 简介
• 6.1 系统架构
• 6.2 鉴相器设计
• 6.3 电荷泵
• 6.4 分频器设计
• 6.5 VCO设计
• 6.6 环路滤波器设计
• 6.7 数据接口单元
• 6.8 DSM设计
• 6.9 偏置电路设计
• 6.10 小结
• 参考文献
• 第七章 芯片的物理实现和测试验证
• 简介
• 7.1 芯片物理实现
• 7.2 测试环境
• 7.3 测试结果
• 7.4 存在问题及解决方法
• 7.5 性能比较
• 7.6 小结
• 参考文献
• 第八章 总结和展望
• 8.1 论文总结
• 8.2 展望
• 致谢