0.18μm CMOS工艺下高性能鉴频鉴相器与电荷泵在铷原子钟中的应用

本文主要探讨了高性能CMOS鉴频鉴相器和电荷泵在通信系统设计中的关键作用，特别是在3.4 GHz芯片级铷原子钟激励源中的应用。在现代通信系统中，锁相环作为一种标准频率合成器实现手段，对于保持信号的精确同步至关重要。作者利用TSMC 0.18微米CMOS工艺，对这两个核心部件进行了创新设计。 鉴频鉴相器的核心设计包括两个边沿触发、具备复位功能的D触发器，以及一个与门结构。通过引入复位延时单元，有效解决了死区效应，提高了鉴相的准确性和稳定性。死区效应通常指的是在电路切换过程中由于信号传输延迟可能导致的不稳定状态，通过延时设计，避免了这种问题对系统性能的影响。 电荷泵电路采用电流镜设计，这是一种能有效抑制电流失配的技术。电流镜可以保持输出电流的精确性，减少噪声，这对于高精度的原子钟电路尤其重要。测试结果显示，在1.8伏电源电压下，当电荷泵电流设定为50微安时，充放电电流的最大失配仅为2.2微安，显示出极高的精度。此外，输出相位噪声达到惊人的-145分贝每赫兹（dBc/Hz）在1兆赫兹频段，这进一步证明了设计的高效性能。 该研究不仅展示了CMOS技术在模拟电路领域的拓展，还强调了其在低成本、低功耗和高集成度方面的优势。作为一项基础研究，这项工作对于推动无线通信设备如WiFi、蓝牙、GPS、ZigBee和RFID等的频率稳定性和整体性能提升具有重要意义。同时，它也对频率合成器和原子钟技术的发展有所贡献，为未来的通信系统设计提供了重要的技术参考。