适用于WLAN IEEE80211a标准的双模前置分频器设计

　　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。