（微电子学与固体电子学专业论文）基于sigmadelta调制器的小数n频率综合器设计.pdf

摘要 摘要 随着无线通信技术的飞速发展，射频模拟前端电路的设计与研究已成为一个 热门领域。随着c m o s 工艺水平的不断进步，其成本反而不断降低，这极大的鼓 励了设计人员采用c m o s 工艺来设计射频电路。而且采用c m o s 工艺来设计射 频电路可以使数字基带的处理部分与射频前端电路放在一个芯片上实现，符合当 今集成电路设计向单片化系统集成( s o c ) 发展的趋势。本文基于c m o s 工艺， 对在射频通信领域中占重要地位的频率综合器的设计方法进行了研究。 频率综合器是一个包括模拟电路和数字电路的复杂的混合信号系统。通过对 基于s i g m a d e l t a 调制器的小数n 频率综合器的设计，可以学习到一整套电路设 计的方法及流程。尤其是对于锁相环电路的分析与设计，有助于深入的理解关于 负反馈系统的控制理论。 在基于s i g m a d e l t a 调制器的小数n 频率综合器的设计中，值得注意的一个 关键地方就是系统的环路参数设计与系统噪声特性之间的紧密联系。因此要求在 设计具体电路时，必须有整体的环路参数分析作为前提。本文从一个型四阶电 荷泵锁相环的系统分析出发，对其相位噪声进行了较为详尽深入的分析，提出了 一系列用于分析系统参数和相位噪声特性的模型，还提出了关于s i g m a - d e l t a 调制 器的建模与仿真方法。通过对这些模型的分析，可以发现影响系统相位噪声性能 的主要因素，以及可以通过怎样的方式来提高整体的噪声特性，也为以后在频率 综合器的研究上指明了方向。本文采用t s m c 0 2 5 u r n2 5 vc m o sr f 工艺的 h s p i c e 模型进行电路设计与仿真。 噪声 关键词：电荷泵锁相环s i g m a - d e l t a 调制器分频器小数n 频率综合器相位 a b s t r a c t - 一，_ 一 a b s t r a c t b e c a u s eo ft h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h e d e s i g na n dr e s e a r c ho ft h ei n t e g r a t e dc i r c u i t si nt h e r e l a t e df i e l dh a sg a i n e dm o r ea n d m o r ea t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r s w i t ht h ea d v a n c eo f t h ec m o sp r o c e s st e c h n o l o g ya n d t h ed e s c e n do fi t sc o s t ，i ti sa t r e n dt h a tc m o sp r o c e s sw i l ld o m i n a n ti nt h ef i e l d so f r a d i of r e q u e n c y ( r f ) a n dm i c r o w a v e i fr a d i of r e q u e n c yc i r c u i t s a r ed e s i g n e da n d m 锄u f a c t l l r e du s i n gc m o sp r o c e s s ，i ti sp o s s i b l et oi n t e g r a t et h er fa n a l o gp a r ta n d b a s e b a n dd i g i t a lp a r ti no n ec h i p t h i si sv e r ya t t r a c t i v e ，a n da l s oi nc o n f o r m i t yw i t h t h ed e v e l o p m e n tt e n d e n c yo fs i l i c o no n ac h i p ( s o c ) i nt h i sw o r k ，w es t u d ya n dr e s e a r c ham e t h o d o l o g yo fd e s i g n i n gaf r e q u e n c y s y n t h e s i z e r , w h i c hi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tb u i l d i n gb l o c k so ft h et r a n s c e a v e r f r o n t e n d a n di su s e dt og e n e r a t el o c a lo s c i l l a t i o ns i g n a l s t h ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e ri sam i x e d s i g n a ls y s t e mw h i c hc o n t a i n sa n a l o ga n d a i g i t a lc i r c u i t s w ec a l lg e ta s e to fd e s i g n i n gm e t h o d sa n dp r o c e s st h r o u g ht h ed e s i g n o ft h es i g m a d e l t am o d u l a t o r - b a s e df i a c t i o n a l - nf r e q u e n c ys y n t h e s i z e r e s p e c i a l l y , t h e d e s i g n o fp h a s e 1 0 c k e dl o o p ( p l l ) i sh e l p f u lf o rl l s t od e e p l yu n d e r s t a n dt h e n e g a t i v e f e e d b a c ks y s t e m a n di t st h e o r i e s i nt h ed e s i g no fs i g m a 。d e l t a m o d u l a t o r - b a s e df r a c t i o n a l - nf r e q u e n c ys y n t h e s i z e r , t h e r ei sak e yp o i n tt h a ti s t h e c l o s e l yr e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h el o o pp a r a m e t e ra n dt h ep h a s en o i s ec h a r a c t e r i s t i c s o i ti ss u g g e s t e dt h a tw h e n w ed e s i g nt h ec i r c u i t ，w em u s tb a s eo nt h ea n a l y s i so fs y s t e m 1 0 0 pp a r a m e t e r s w eb e 豇w i t h as y s t e ma n a l y s i so fat y p ei if o u r t h 。o r d e r c h a r g e - p u m p p l l - b a s e df r e q u e n c ys y n t h e s i z e r , a n dd e e p l y r e s e a r c ht h en o l s e c 1 a a r a c t e r i s t i c so fi t ，a n dp r o v i d eas e to fs y s t e mm o d e l sf o rt h ea n a l y z i n go fs y s t e m d a r a m e t e ra i l dn o i s ec h a r a c t e r i s t i c s a n dt h em e t h o df o rm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no f t h es i g m a - d e l t am o d u l a t o ri sa l s op r o v i d e d w ec a n f i n dt h em a i nf a c t o r st h a ti n f l u e n c e t h en o i s ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e m ，a n dh o wt op r o m o t et h en o l s ec h a r a c t e r i s t i c so t t h es y s t e mt h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h e s em o d e l s t h i sd i s s e r t a t i o n i sa l s oag o o d r e f e r e i l c ef o rt l l ef u t u r ew o r k s a l lt h ed e s i g na n ds i m u l a t i o ni sb a s e do nt h eh s p i e e m o d e lo ft s m c 0 2 5 u r n2 5 vc m o sr fp r o c e s s k e y w o r d ：c h a r g e p u m pp l l s i g m a d e l t am o d u l a t o rd i v i d e r f r a c t i o n a l nf r e q u e n c ys y n t h e s i z e rp h a s en o i s e 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 ：本人签名：墟 l ， 导师签名；备 “” 日期2 碑z 么：丛 日期丑粤。彦 第1 章绪论 1 t 1 无线通信的历史与发展 第1 章绪论 1 1 背景介绍 自从十九世纪末二十世纪初( 18 9 7 二19 0 1 年) s e n a t o r eg u g l i e l m om a r c o n i 成 功地跨越大西洋发送和接收了无线电信号【1 】【2 】，无线通信作为一个崭新的行业得 到了飞速的发展。随着超外差接收机电路的发明( e d w i nh 。a r m s t r o n g ，1 9 1 8 年) ， 无线电广播服务的开展( k d k a ，p i t t s b u r g h ，u s a ，1 9 2 0 年) ，以及电视技术的 发明( v l a d i m i r k z w o r k y k i n ，1 9 2 3 年；j l b a i r d 和c f j e n k i n s ，1 9 2 6 年) 【2 ， 各种新的无线通信的方式与服务不断地涌现。 早期的无线通信设备成本昂贵，尺寸庞大。面向大众的无线通信服务主要是 单向的无线电广播服务，而双向地无线通信服务的应用主要局限在军事领域。直 至, j - - 十世纪6 0 和7 0 年代贝尔实验室首先提出并发展了蜂窝通信概念【3 1 ，才使得 双向无线通信在人们的日常生活中的普及成为可能。值得令人骄傲的是近2 0 年来 随着集成电路技术的飞速发展，个人无线通信技术也得到了前所未有的发展，对 无线通信服务的需求也在不断地增加，据预测，到2 0 1 0 年，移动电话的拥有量将 超过固定电话达到1 0 亿部【4 1 。 目前，无线通信主要还是以语音通信为主，从上个世纪9 0 年代的第一代模拟 无线通信系统过渡到现在以g s m 标准为主的第二代数字无线通信系统涌现出了 多种无线通信标准，如a m p s 、g s m 、d c s l 8 0 0 、i s 9 5 、i m t - 2 0 0 0 等，随着第 三代无线通信标准( w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a ) 的制定，室内无线局 域网标准的出现( b l u e t o o t h ，i e e e8 0 2 1 1 ，a n ) ，以及全球定位系统( g p s ) 从军用走向民用，无线通信的内容与范围也将不断扩展，随时随地通信、多媒体 信息的传播与交流、实时定位等成为无线通信的发展趋势。 在无线通信发展的各个方面，值得一提的是近几年发展迅猛的全球定位系统 ( g p s ) 。g p s 可以在全球范围内为数量不限的海陆空天用户提供全天候的、连续 精确的位置、速度和时间信息，其建成和成功应用是现代科学技术发展的结晶， 是导航系统现代化的重要标志，为美国带来了巨大的军事和经济利益，也引起了 世界各国的普遍关注【5 】。在军用及民用领域，各国政府都非常关注本国定位导航 产业的发展，并且付诸于行动。一些国家相继投资建设自己的卫星导航系统或增 强系统，如俄罗斯的g l o n a s s 、欧盟的g a l i l e o 系统和中国的北斗系统等。 伴随着已建成系统的现代化和新系统投建的热潮，以g p s 为主，其它系统为辅助 基于s i g m a d e l t a 调制器的小数n 频率综合器设计 的卫星导航技术、产品、应用和服务也正处于飞速发展之中( 多模导航技术) 。为 了适应各种系统的不同频带及频率精度的要求，用户对通信电路指标的要求也越 来越高。作为无线通信中的关键部件，频率综合器( 用于产生本地振荡信号) 发 挥了极其重要的作用： 1 1 2 频率综合器在无线通信领域中的应用 频率综合器在现代通信和信息处理系统中扮演着非常重要的角色，其应用非 常广泛。在射频与模拟电子系统中，它作为无线发射接收机的本地振荡器，在接 收链路上实现射频信号的下变频、在发射链路上实现基带信号的上变频。在数字 电子系统中，作为时钟产生与同步信号控制寄存器数据的存取，应用在微处理器、 数字信号处理器和直接存取存贮器以及网络路由器与开关器中：作为时钟与数据 恢复信号，应用在光纤信号收发机、局域网收发机、光驱信道读写器中；作为调 制解调的信号，应用在非相干调制解调器中。 日常生活中使用的手机、广播、电视等都是和频率综合器的应用密不可分的。 现代无线通信系统结构非常复杂，按功能可将其划分为两个部分：射频部分和基 带部分，如图1 1 所示。其中基带部分是数字电路，完成数字信号的编码解码、 加密解密、调制解调、多址接入等数字信号处理功能。射频部分是模拟电路，完 成信号的模数数模转换、发送、接收等功能。尽管射频部分从晶体管数量来看， 只占很小的一部分，但由于它们的工作环境的差异性，射频电路可能需要工作在 恶劣的信道环境中，接收微弱的信号或发射足够强度的信号。因此，现代无线通 信系统对射频电路的各项性能指标的要求极为苛刻，导致射频部分电路的设计是 极其困难但又十分的重要。 图1 1无线通信系统的电路结构 无线通信收发机包括接收机( r e c e i v e r ) 和发送机( t r a n s m i t t e r ) 两部分。图 1 2 所示为收发机的射频部分的结构图，虚线框内为接收机部分。如图中所示，接 收机部分通常采用超外差结构的接收机方案( s u p e rh e t e r o d y n er e c e i v e r ) 。超外差 结构主要包括：带通滤波器、低噪声放大器( l n a ) 、镜像抑制滤波器、混频器 ( m i x e r ) 、频率综合器、可编程增益放大器( p g a 或自动增益控制放大器a g c ) ， 第1 章绪论 中频滤波器，模数转换器( a d c ) 、低通滤波器( l p f ) 等。超外差结构具有性能 好、低功耗、没有直流偏差等特点，但是虚线框中所示的超外差结构采用两次下 变频的方式，这样不但结构复杂，还有令人棘手的镜像干扰问题。因此，为了简 化设计、节约成本，现代的无线通信接收机越来越多地采用低中频接收方案( l o w i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yr e c e i v e r ) 或直接下变频接收方案( d i r e c tc o n v e r s i o n r e c e i v e r ) 。这两种方案都只需要一次下变频，但是直接下变频接收方案存在直流 偏差的缺点，因此低中频接收方案越来越得到广泛应用，图1 3 给出一种低中频 接收机方案的系统结构图。图中相移( p h a s es h i f t e r ) 和加法( a d d e r ) 在实际电 路中往往采用一种叫多相滤波器( p o l y - p h a s ef i l t e r ) 的电路实现，完成镜像抑制 的作用。 图1 2 超外差收发机方案 4 基丁s i g m a d e l t a 调制器的小数n 频率综合器设计 m i x e r p h a s es h i f t e r m i x e rf r a c t i o n a l - np l l 图1 3低中频接收机方案 从上面的介绍可知，无线通信系统中使用的频率综合器的作用是用于产生本 地振荡信号( l o ，l o c a lo s c i l l a t o r ，简称本振信号) 。该本振信号与接收到( 或用 于发射) 的射频信号混频，实现频谱的搬移，再通过中频滤波，实现信道的选择， 通过a d 变换变成基带信号( 或把基带信号变成可以发送的射频信号) 。尽管频率 综合器只占射频部分的很少部分，但是它却是最重要的部分。它的性能指标对无 线通信收发机的选择性、灵敏度、信噪比、数据速率等关键性能指标有着极大的 影响。 1 1 3 频率综合器的技术背景 频率合成的方法可以分成三大类，按频率合成技术发展的时间顺序，分别是： 直接模拟频率合成( d a f s ，d i r e c ta n a l o gf r e q u e n c ys y n t h e s i s ) ：锁相环合成 ( p l l f s ，p h a s e l o c k e dl o o pf r e q u e n c ys y n t h e s i s ) 直接数字合成( d d f s ，d i g i t a l d i r e c tf r e q u e n c ys y n t h e s i s ) 。 1 1 3 1 直接模拟频率合成( d a f s ) 直接模拟频率合成是将晶体振荡器产生的频率信号通过倍频、分频、混频和 滤波得到大量离散频率信号，如图1 4 所示。频率综合器这个概念是f i n d e r 在1 9 4 3 年首先使用的，他提出的频率综合器就是直接模拟频率综合器。直接模拟合成的 最大优点是频率转换速度快( u s 以下数量级) ，但其缺点亦是不能容忍的：系统 中需用到大量的分( 倍) 频器、混频器、滤波器等，造成体积大、成本高、不能 集成、频谱不纯，因此现在己基本淘汰不用。 第1 章绪论 图1 4 直接模拟频率合成法原理 1 1 3 2 锁相环频率合成( p l l f s ) 这是一种间接频率合成方法，它利用锁相技术来产生具有高稳定度、高纯度 的频率源【6 】【7 】【2 4 】。 锁相环频率综合器的基本结构由鉴频鉴相器( p f d ，p h a s ef r e q u e n c y d e t e c t o r ) 、环路滤波器( l f ，l o o pf i l t e r ) 、压控振荡器( v c o ，v o l t a g ec o n t r o l l e d o s c i l l a t o r ) 程序控制多模分频器( p r o g r a m m a b l ed i v i d e r ) 以及数字控制电路构成。 其基本工作原理如图1 5 所示：参考频率f r 通常由晶体振荡器经过分频器产生， 鉴频鉴相器对参考频率信号f r 和v c o 振荡频率分频得到的频率信号f d 进行相 位比较，只要f r 和f d 不是同频同相，鉴频鉴相器就会有信号v p f d 输出，v p f a 经过环路滤波器滤波以后得到直流的平均值v c ，v e 控制压控振荡器的输出频率 f o 。其中，f o = n f d ，n 为分频器的模数。v e 会使得f d 信号的频率和相位朝着 更接近f r 的频率和相位的方向变化，如此反复循环，最终使f d 与r 同频同相， v c 稳定下来后，v c o 输出稳定的频率f o ，达到锁定状态。 基于s i g n n a d e l t a 调制器的小数n 频率综合器设计 i 控制电路 图1 5锁相环路频率合成法原理图 若锁相环已经锁定，改变n 值，将导致f d ：# f r ，环路重新进行鉴频鉴相操作， 经过一段时间，环路再次进入锁定状态，频率综合器完成从一个频率到另一个频 率的转换过程，此时频率综合器输出一个新的稳定频率，因此要合成一个新的频 率，只需要改变分频比n 即可。只要环路参数设计合理，该环路就可以输出稳定 的、精度和纯度接近参考时钟源的频率，这就是锁相环频率综合器的工作原理。 基于锁相环结构的频率综合器一般有几种结构：整数n 结构【8 】，小数n 结构 1 9 1 1 0 】【l l 】【1 2 】【18 1 ，双多环路结构【1 3 】【1 4 】。整数n 结构是指其反馈回路中的分频器的分 频数是整数，它的结构较简单但频率分辨率不高( 因为其频率输出变化的步长等 于鉴频鉴相器的工作频率) ，并且可能要求特殊频率的参考时钟源，提高系统成本。 小数n 结构目前应用较多，也是本文将要深入探讨研究的结构。其频率分辨率较 高，相位噪声特性较好，方便使用低成本的通用频率的参考时钟源。双多环路结 构是采用两个或多个锁相环来实现频率合成，其中一个锁相环输出一个固定的高 频信号，变化的频率成分在低频下实现，最后由一个频率加法器进行合成，这种 结构相对简单，但占用较大芯片面积，功耗也会增加，而最后的频率加法器( 通 常用混频器实现) 的非线性会产生各种谐波及相位噪声。 锁相环合成法具有体积小，易于集成，良好的跟踪滤波特性和比较强的抗干 扰能力等优点，因此在工程技术中得到了迅速发展和广泛应用，是目前频率合成 的主流技术，但传统的锁相环合成技术仍然存在着很多的缺点，如频率转换精度 不足、相位噪声较大等，这对于当代无线通信来说已经不能满足要求。 1 1 3 3 直接数字频率合成( d d f s ) 为了取得更快的频率转换速度，随着数字技术的发展，人们又重新回到了直 接频率合成法，出现了直接数字频率合成方法( d d f s ) 【1 5 】1 1 6 1 。d d f s 的基本原 理如图1 6 所示。 第1 章绪论 附二蕉嗟粒一 图1 6直接数字频率合成法原理 相位累加器a d d e r 和寄存器r e g i s t e r 组成正弦表r o m 的地址计数器，相位 累加器的n 位输入称为频率字k 。寄存器每接收一个时钟c p ，它所存的数就增 加一个频率字代表的，通过查r o m 表得出对应此相位值的正弦波幅度值，当 累加器溢出时，重新开始下一个周期的正弦取样。 举一个简单的例子来说明其工作原理。例如，当k 取最小值k = 1 时，由于 k 是n 位的，则一个正弦周期的2 7 c 相角被分成2 n 等分，即a 西= 2 n 2 n ，当取样 周期为t 印时，输出信号的周期为：t o 。t = t 印( 2 n a o ) = 2 nt c p ，图1 6 中对应的输 出频率是f o = f d 2 n ，如果k 1 ，则输出频率f o = 吲2 n ) f r 。因此，改变时钟频率 f r 和频率字k 都可以改变输出信号频率。d d f s 输出的频率分辨率由相位累加器 的位数n 决定，只要n 足够大，d d s 的频率分辨率就足够高。d d f s 输出的最 低频率是当k = 1 时，f 。= f t 2 n ，最高频率根据奈奎斯特取样定理，可达f o - i r 2 。 因为d d f s 的工作原理是通过简单的加法、查表等数字信号处理得到所需信 号，所以频率合成的速度就是器件的工作速度，因而转换速度极快( n s 数量级) 。 尽管早在1 9 7 1 年t i e m e y 就提出了d d s 的概念，但是其大发展及产品化是九十 年代以来的事情。由于d d s 具有超宽的相对带宽，超高频率转换速度，超细的分 辨率以及可编程、全数字化、便于集成等诸多优点，所以它在数字调幅、调频、 调相等领域中得到了飞速的发展和广泛的应用。 当然d d f s 在实际应用中也有其自身的局限性，它的输出频率不纯，频谱中 含有较多毛刺，功耗大，输出频率范围窄、频率低。输出频率的理论值最大仅为 参考时钟频率的1 2 ，而且在实际应用中输出频率应为参考时钟的1 4 以下。正 是由于这些难以克服的缺点，在射频通信中，还是很少采用d d f s 技术。 为了改进d d f s 技术，将直接数字频率综合器( d d f s ) 与传统的锁相环频 率综合器( p l l f s ) 结合起来，组成d d f s p l l f s 混合频率综合器，如所示。以 d d f s 驱动p l l f s 方式的混合频率综合器，利用d d f s 较小的频率步进来保证较 小的输出频率间隔，而用p l l f s 的宽频带特性来保证较宽的频率覆盖范围。 由于这种d d f s p l l f s 混合频率综合器在原理上没有创新，而且结构复杂， 应用领域很小，这里只做简单介绍。 基于s i g m a d e l t a 调制器的小数n 频率综合器设计 图1 7d d f s p l l f s 混合频率合成法 1 2 论文的主要工作 本文要论述的就是无线通信系统中使用的频率综合器的设计方法。通常无线 通信系统中使用的频率综合器的作用是用于产生本地振荡信号( l o ，l o c a l o s c i l l a t o r ) 。本地振荡信号与所接收的射频信号混频，经过频谱搬移、中频滤波、 中频选择、a d 变换等操作最终将其变换为基带信号( 或把基带信号变成可以发 送的射频信号) 。尽管频率综合器只占射频部分的很少部分，但是它却是最重要的 部分。它的性能指标对无线通信收发机的选择性、灵敏度、信噪比、数据速率等 关键性能指标有着极大的影响。 传统的基于整数n 的频率综合器无论是在频率精度、相位噪声方面，还是在 锁定时间方面，已经不能满足要求。基于s i g m a d e l t a 调制器的小数n 频率综合 器可为不同的系统提供满足一定要求的频率分辨率和精度。 本文以设计满足导航技术需要的频率综合器为线索，详细给出了基于 s i g m a d e l t a 调制器的小数n 频率综合器的设计方法。该频率综合器可以为不同频 带的无线通讯系统提供相当精度的本振信号。本文的重点放在基于s i g m a d e l t a 调 制器的小数n 频率综合器的系统分析、结构设计和具体电路实现上。 1 3 论文的组织结构 本文第一章介绍了无线通信系统的发展及频率综合器在无线通信系统中的作 用。简要的介绍了频率综合器的发展现状，并引出本文的主要目标。 第二章介绍频率综合器的结构分类及工作原理；提出频率综合器的一个线性 化模型并推导出基于该模型的开环、闭环传输函数；在该模型的基础上，进一步 深化分析，提出一个频率综合器相位噪声的分析模型，推导出各主要噪声源到输 出端的噪声传输函数，并且分析各个模块的噪声产生机理及近似的噪声数学模型。 第三章通过对型四阶电荷泵锁相环的系统分析，提出基于m a t l a b 的一 第1 章绪论 系列建模与仿真方法，包括环路建模方法、环路参数设计方法、系统噪声分析方 法以及s i g m a d e l t a 调制器的建模与仿真方法。 第四章在第三章得出的环路参数的基础上，基于t s m c 0 2 5 u r n2 5 vc m o s r f 工艺，设计频率综合器的各模块电路，其中包括鉴频鉴相器、电荷泵、压控振 荡器、分频器及s i g m a d e l t a 调制器，并给出h s p i c e 的电路仿真结果。 第五章全文的结论。 9 第2 章频率综合器的系统与噪声特性 第2 章频率综合器的系统与噪声特性 频率综合器按照其频率合成的方法可以分成三大类，分别是：直接模拟频率 合成( d a f s ，d i r e c ta n a l o gf r e q u e n c ys y n t h e s i s ) ；锁相环合成( p l l f s ，p h a s e l o c k e dl 0 0 pf r e q u e n c ys y n t h e s i s ) ：直接数字合成( d d f s ，d i g i t a ld i r e c tf r e q u e n c y s y n t h e s i s ) 。由于射频系统普遍采用基于锁相环的频率综合器，所以本文也只研究 基于锁相环的频率综合器，在提到综合器时如无特殊说明，均指基于锁相环的频 率综合器。 2 1 频率综合器的结构分类 随着无线通信系统的不断发展，人们对频率综合器的要求不断提高。频率综 合器的种类日益丰富，性能不断提高。按照不同的工作方式，可以将频率综合器 划分成不同的类型。例如，频率综合器按照分频方式的不同可以分为整数n 频率 综合器和小数n 频率综合器【1 7 】【1 8 】f 1 9 】f 2 0 】【2 1 】：按照结构的不同可以分为单环路频率 综合器和多环路频率综合器【1 3 】【1 4 】；按滤波器的种类可以划分为单环路滤波器、复 合环路滤波器【2 2 】、连续时间的环路滤波器、采样保持的环路滤波器【2 3 】等。 通常人们会把频率综合器分为整数n 、小数n 及双环路频率综合器。下面介 绍这三类基本的频率综合器的工作原理。 2 1 1 基于整数n 分频器的频率综合器 结构最简单的频率综合器是整数n 频率综合器，它的结构框图如图2 1 所示。 这种频率综合器是通过改变整数n 分频器的分频比来改变其输出频率的。由于分 频器的分频比只能是整数，所以很显然这种频率综合器就只能输出参考时钟的整 数倍频率。其输出频率改变的最小单位也是参考时钟的频率，即其分辨率为参考 时钟频率。所以，当整数n 频率综合器需要提高分辨率时，只能通过降低参考频 率的方式来实现，但是由于参考频率的降低，必然导致环路带宽的降低( 原因见 第四章的分析) ，而环路带宽的降低会增大系统的锁定时间，这在一些对锁定时间 要求较高的场合是很难接受的。另外，在输出频率一定的情况下，降低参考频率 必然使得分频比增大，这样会导致带内噪声的增大，这在一些对相位噪声要求比 较高的场合也是很难接受的。然而，虽然整数n 频率综合器存在上述种种缺点， 但是由于其结构简单，稳定度高，在一些对频率分辨率和相位噪声要求不高的场 合仍然得到广泛的应用。 1 2 基于s i g m a d e l t a 调制器的小数n 频率综合器设计 频道选择 图2 1整数n 分频的频率综合器 2 1 2 基于小数n 分频器的频率综合器 将图2 1 中的整数n 分频器改为小数n 分频器，就构成了基于小数n 分频器 的频率综合器。由于小数n 分频器的分频比可以设置为小数，综合器的输出频率 就不必为参考时钟的整数倍。这样，即使参考时钟的频率比较高，输出频率也可 以达到相对较高的分辨率。同时，由于参考时钟比较高，锁相环就可以选择比较 高的环路带宽，这就意味着较快的环路锁定时间。而且在相同输出频率下，分频 比会比较低，这样带内的相位噪声相对于整数n 分频器就会保持在一个比较低的 水平。因此它的最大的特点就是能兼顾相位噪声和锁定速度的要求，适用于那些 相位噪声、频率分辨率、环路频率切换速度要求都比较高的系统。基本的基于小 数n 分频的频率综合器原理框图如图2 2 所示。 图2 3 为小数n 分频器的一种实现方法【2 4 1 。图中的小数n 分频器是由双模 n n + 1 分频器构成的。模数控制信号是由两个计数器产生，假设两个计数器的模 数分别为整数k 和l ，k l 。首先，分频器在k 个参考时钟周期内进行n + 1 分频， 当计数器计到k 后第一个计数器产生溢出信号，这时模数控制信号翻转，在接下 来的l k 个参考时钟周期内进行n 分频，总的分频数为k ( n + 1 ) + ( l k ) n ， 在l 个参考时钟周期内对v c o 的平均分频比是n 十k l ，因此综合器的分辨率 能达到f 他f 几( f 时为参考时钟频率) 。由于分辨率可以为参考时钟的分数倍，这样 参考时钟就能取的比较高，环路带宽也相应的增大，环路的响应速度随着环路带 宽的增加而提高。但是小数n 分频的频率综合器具有一个非常严重的缺点，即小 数毛刺( s p u r ) 。如何来降低由小数分频引入的毛刺，是整个小数n 分频器频率综 合器的研究重点，目前为止，也已经出现了多种补偿办法，最常用的就是采用 s i g m a - d e l t a 调制器技术【2 4 1 。关于s i g m a - d e l t a 调制器技术的细节，将在后面章节 介绍。 第2 章频率综合器的系统与噪声特性 模数控制 频道选择 图2 2小数n 分频的频率综合器 模数控制 图2 3 小数n 分频器实例 2 1 3 双环路结构 在整数n 频率综合器中信道宽度与参考频率之间的关系可以通过使用两个或 者更多环路来改变。产生精细频率步长的一种直截了当的方法是在一个固定的高 频率上加上一个可变的低频信号【2 4 】。如图2 4 所示，这种技术使用p l l l 来通过 参考频率f m 产生一个频率为f 。的载波信号，使用p l l 2 来产生频率增量和，其 每一个频率增量等于f 陀f 2 。改变p l l 2 的分频比率也就可以在输出信号中得到精 细的频率步长。注意f r e 九的频率可以是几十兆赫兹。两个频率的加和是通过一个 单边带混频器实现的。 这种结构相对于单环路整数n 技术的主要优势是p l l l 输出的邻近中心相位 噪声被较宽的环路带宽所抑制，因为f 硼的频率比信道宽度要大得多。p l l 2 输 出的相位噪声可以比p l l l 低得多，因为前者是工作在一个低得多的频率上。 图2 4 所示结构的主要缺点是需要一个精确的单边带混频器。这需要在p l u 和p l l 2 中同时产生精确的正交的相位，同时又要对相加的频率之一保持低的谐 波失真。因此，很难保证失配和非线性所引起的杂散信号比载波信号低6 0 d b 到 7 0 d b 。另一个问题是p l l 2 的输出频率必须为一个很大的系数所改变：这个系数 1 4 基- y - s i g m a d e l t a 调制器的小数n 频率综合器设计 等于在图2 4 实现中的通道数。结果就是压控振荡器必须有很宽的调谐范围。不 仅如此，当信道( 也就分频比率) 发生改变时，p l l 2 的环路增益和阻尼系数变 化很大。 f r e f r e f c + l l f r e f 2 信道选择 图2 4双环路频率综合器 正如上面所介绍的那样，双环路或多环路结构的频率综合器的性能优异，能 兼顾到噪声和速度的要求，但其结构复杂，特别适合于性能要求很高的系统，例 如现代探空系统。 2 2 频率综合器的线性化模型 在锁相环的基础结构上，在反馈回路中增加分频器模块，如图2 5 所示，就 构成了一个基本的基于锁相环的频率综合器。一个典型的集成频率综合器包含的 模块有：鉴相器、电荷泵、低通滤波器、压控振荡器和分频器。 图2 5频率综合器框图 图2 5 所示的频率综合器和一般的锁相环电路很相似，但是实际上两者之间 还是有差别的。虽然频率综合器是基于锁相环的，但是锁相环电路只需要跟随输 入参考信号的变化而变化，而频率综合器需要输出不同的频率。频率综合器输出 不同的频率是通过改变分频器的分频比，而改变分频器的分频比必然会引起环路 参数的变化，环路的性能也会随之改变。另外，由于频率综合器的用途就是按照 要求输出相应的频率，所以对锁定时间根据不同的用途也有特殊的要求。 频率综合器的系统分析的目的是设置环路参数，因为环路参数设置的好坏直 接影响着综合器的性能。而环路参数设置的主要依据是环路模型，可以通过对模 第2 章频率综合器的系统与噪声特性 型的分析计算得到相应的环路参数，文献【2 5 】【2 6 】比较完整的分析了基于电荷泵的锁 相环的模型，同样可以用作分析频率综合器。一般来说，基于电荷泵的频率综合 器可以用离散的系统模型来精确的描述。离散模型( z 域) 可以用不同的分析方法得 到，包括状态空间分析法【2 5 】和冲击响应不变变换法【2 7 】。但是，离散模型相对比较 复杂，幸运的是，可以证明，当环路带宽不大于参考时钟频率的1 1 0 时，离散模 型可以用连续时间模型( s 域) 较好地近似【2 6 1 。图2 6 为一个基于电荷泵锁相环的频 率综合器的连续时间线性化模型。 。锁相环频率综合器是通过对参考时钟进行倍频，从而产生特定频率范围及精 度要求的稳定时钟。图2 5 中各模块的输入及输出量如图2 6 所示，图中f 代表 频率，m 代表相位。为了方便分析，+ 本文在介绍锁相环各个模块工作过程时会采 用相位作为基本的输入输出变量，这种方便会随着后面的对锁相环的更深入的介 绍而展现出来。 整个锁相环的工作过程如下，参考频率f 佗f 的相位耐经过分频后得到采样 信号相位一( 之所以称之为采样信号是因为后面的鉴频鉴相器以看作为一个采 样系统) 。压控振荡器( v c o ) 输出f 叫经过分频后得到反馈信号f d ，f d 的相位 为西d 。采样信号相位与反馈信号相位进行比较后使得鉴频鉴相器和电荷泵 ( p f d c p ) 的输出平均值等于。呻与d 的相位差。电荷泵( c p ) 的输出0 c p 经过无源滤波器z ( s ) 的滤波后将电流信号转换为电压信号。同时环路滤波器滤 除电荷泵输出信号中的高频分量。环路滤波器的输出f n t 为压控振荡器v c o 的 电压输入，压控振荡器的输出端输出所需要的频率f 咖，f o m 的相位为0 0 。 图2 6频率综合器的线性化模型 图2 6 中所示的模型并没有包含电路的实际情况，只是一个概括的模块化的 模型。根据所采用的鉴频鉴相器和环路滤波器的不同，锁相环有很多类型，可以 参考有关锁相环方面的文献【6 1 。 1 6 基于s i g m a d e l t a 调制器的小数n 频率综合器设计 2 3 频率综合器的传输函数 描述频率综合器性能的最重要的参数有：开环传输函数，闭环传输函数，以 及相位噪声的传输函数。本节给出图2 6 所示的模型的开环传输函数和闭环传输 鉴频鉴相器的s 域模型为一个减法器与一个增益为的增益模块。电荷泵 的增益为其电流值i c o 。压控振荡器的传输函数为k v 。d s 。环路滤波器的传输函数 为z ( s ) ，反馈路径上的分频器的传输函数为1 n 。 从基本的控制理论可知，锁相环的开环传输函数为： 锄砒印咆邵) 争专 抑， 单位为1 ，i c d 单位是安培，k 哪单位是h z i v 。 么一= 芒= 而a o p i e n l o o p 万( s ) 蝴蝴、7 s 口m p1 + 么印绷如印( s ) 式( 2 2 ) 环路带宽( l b w ) 定义为开环增益的绝对值为1 ( o d b ) 时对应的频率值审。 l 锄砒叩( s ) l 励= 1 式( 2 3 ) 矽= 18 0 + p h a s e ( a o p e 比。p ( s ) ) 式( 2 4 ) 式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) 是设计和优化环路滤波器的主要参考公式。 2 4 频率综合器的噪声分析 2 4 1频率综合器的环路噪声模型 频率综合器的所有子电路模块都会引入噪声，而且都会对输出的总噪声有贡 献。在频率综合器中主要的噪声源有：鉴频鉴相器和电荷泵的组合噪声，压控振 荡器的噪声，参考时钟的噪声以及各种高、低频分频器的噪声。环路滤波器中的 电阻也会引入额外的热噪声。 图2 7 为频率综合器的一个线性化噪声模型【2