（微电子学与固体电子学专业论文）调频锁相环集成电路的设计研究.pdf

摘要 摘要 车载m p 3 作为消费类的汽车电予产品，解决了c d 和卡带曲目选择灵活度小的 缺陷，并且充分利用了汽车本身的高品质音响。从其诞生到现在，这种新兴产品 在极短的时间内成为了种时尚的流行趋势。所谓车载m p 3 就是一个立体声f m 凋频发射器，相当于一个个人微型电台，能将d is m a r l 、m d 、m p 3 等各种播放器中 的音频信号转换成高保真的无线f m 调频立体声信号发射出去，用汽车或家举的收 音机进行接收。这种发射器的核心芯片就是调频立体声发射i c ，它实现了存一块 芯片上立体声编码和f m 发射功能的集成，芯片采用0 2 5pi l lc m o s 混合信号工艺 制作，整个芯片可以分为两个部分：立体声编码和调频发射。本文设计的就是其 中的调频发射部分。 论文首先介绍了调频立体声发射的基本原理与技术指标，以及实现调频发射 功能的调频锁相环的工作原理与结构。采用v e r i l o g a 建立了调频锁相环的行为 级模型，并以此为平台，介绍了调频锁相环中各个模块的功能及其对环路： 作的 影响。作为射频应用，论文也大致讨论了射频应用下器件模型的相关问题。论文 的第四到第七章详细论述了环路各个模块的电路设计，并给出了仿真波形和版图。 其巾第六章阐述的双电调y c o 的设计是电路设计的重点与难点，也是本文阐述最 为详尽的章节，详细分析了v c o 结构的选择、性能指标以及有效的降噪技术，埘 n m o s p m o s 交叉耦合l c 压控振荡电路进行了输出频率仿真、双端压控特性仿真 和相位噪声的仿真，并实现了流片验证，在第九章给出了测试结果。第八章的环 路仿真，利用建立的行为级模型仿真，形象地论证了环路中各模块的参数对环路 锁定时间的影响，并验证了所设计的环路滤波器参数。第十章总结了论文所做工 作，提出了改进的设想和展望。 论文最终设计了一个调频锁相环，中心频率为1 5 26 h z ，发射频率 9 3 3 r 9 7 6 1m h z ，对于调频，。播的2 0 0k h z 频道带宽要求，可以实现2 0 个以上 的发射频道选择。经行为级仿真，锁相环的锁定时问约为6 0 07 0 0m s 。而双电 调的v c o 实现了1 4 9 3 6 1 5 6 1 8g h z 的调谐范围，两个压控端的增益实现了1 0 倍以上的差异，偏置电流不超过6 m a ，电源电压3 v ，相位噪声一1 0 2 5d b c h z 1 0 0 k h z 。 关键词：车载m p 3 ，调频立体声发射i c ， 调频锁相环，行为级建模，双 哇i 调压控振荡器 华南理工大学硕士学何沦文 a bs t r a c t a sa c o n s u m p t i v ea u t o - e l e c t r o n i cp r o d u c t ，c a rm p 3 overcomest h e i n f l e x i b i l i t yo ft r a c ks e l e c t i o nc o m p a r e dw i t hc do rt a p er e c o r d e r ，a n d ito b t a i n se x c e l l e n tt i m b r ef r o mt h eh i f ie q u i p p e di nt h ec a r t h i sn e w p r o d u c th a sb e c o m et ob eaf a s h i o nw it h i nav e r ys h o r t ti m e c a rm p 3is a c t u a l l yas t e r e of mt r a n s m i t t e r ，o ram i c r op e r s o n a lb r o a d c a s t i n gs t a t i o n i tc a nt r a n s f o r mt h ea u d i os i g n a lf r o mm u s i cp l a y e r ss u c ha sd i s m a n ，m d a n d m p 3e t ct oh i f iw i r e l e s sf ms t e r e o ，a n dt r a n s m i ti t t h er e c e i v i n gc a n b et h er a d i oi nt h ec a ro ra th o m e t h ec o r eo ft h i sp r o d u c tist h es t e r e o f mt r a n s m i t t e ri c ，w h oi n t e g r a t e st w of u n c t i o n so fs t e r e oe n c o d i n ga n df m t r a n s m i s s i o n t h ed e s i g nw a sf a b r i c a t e dw i t h0 2 5umc m o sm i x e ds i g n a p r o c e s s a n dc a nb ed i v i d ea st w op a r t s ：s t e r e oe n c o d e ra n df mt r a n s m i t t e f i nt h isp a p e r ，t h eb a s i ce l e m e n t sa n ds p e c i f i c a t i o no fs t e r e of m t r a n s m i s s i o nisf i r s t l yi n t r o d u c e d ，a sw e l la se l e m e n t sa n ds t r u c t u r eo f f mp l l y e r i l o g aw a su s e dt os e tu pab e h a v i o rm o d e lo ff mp l l ，t h r o u g h w h i c ht h ef u n c t i o n a n da f f e c t i o no fa l l t h em o d u l e si nt h ep l l1 0 0 pc a l l b ev a l i d a t e d s i n c ei tw o r k sa tr a d i o f r e q u e n c y ，d i s c u s s i o no fd e v i c e m o d e l sa tr fi sn e c e s s a r y ，w h i c hc a nb ef o u n di nc h a p t e r3 f r o mc h a p t e r 4t oc h a p t e r7 。t h ec i r c u i t1 e v e lo fe v e r ym o d u l ea r ep r e s e n t e d s i m u l a t i o n a n dl a y o u ta r ea l s op r e s e n t e dr e s p e c t i v e l y t h ee m p h a s e sa n dd i f f i c t l l t y o ft h ew h o l ep a p e ri sc h a p t e r6 ，w h ic h i st h ec i r c u i td e s i g no fv c ow i t h d o u b l e - t u n i n gp o r t s ，a n ds oi t i st h em o s td e t a i l e dc h a p t e ro ft h isp a p e r i i lc h a p t e r6 ，t h es e l e c t i o no f a r c h i t e c t u r e ，t h es p e c i f i c a t i o i 3 o f p e r f o r m a n c e a n dt h et e c h n i q u eo fp h a s en o i s er e d u c i n ga r ed i s s e r t a t e d s j m u l a t i o no fo u t p u tf r e q u e n c y ，v o l t a g e f r e q u e n c yt u n i n gcurvesa n dp h a s e n o is eo ft h en m o s p m o sc r o s s c o u p l e do s c i1 l a t o ri sc o m p l e t e d ，a n dt h e t e s t i n gr e s u l tc a nb es e e ni nc h a p t e r9 i nc h a p t e r8 t h ew h o l el o o pis s j m u l a t e d ，t h eb e h a v i o rm o d e lisu s e d ，f r o mw h i c ht h ea f f e c t i o no fa n y p a r a m e t e ri ne v e r ym o d u l e sc a nb es e e nc l e a r l y a tt h ee n do ft h ep a p e r ， t h ew h o l ej o bi ss u m m a r i z e d ，a n da l s os o m eid e a so fa m e l i o r a t i o na r eb r o u g h t f o r w a r d i nc o n e l u s i o n ，af mp l li s d e s i g n e d ，w h o s ec e n t e rf r e q u e n c yis1 5 2 i i a b s t r a c t g h za n de m i t t i n gf r e q u e n c yis9 3 3 5 。9 7 6 1m h z f o rf mb r o a d c a s t i n g ，w h o s e c h a n n e lw i d t hi s2 0 0k h z t h i sp l lc a np r o v i d em o r et b a n2 0c h a n n e ls t h e l o c k i n gt i m eo ft h ep l lisa b o u t6 0 0t o7 0 0m su n d e rb e h a v i o r a ls i i n u l a t i o n a st 0v c ow i t hd o u b l e t u n i n gp o r t s t u l l in gr a n g eo f1 4 9 3 6 。1 5 6 1 8g h zis o h t a i n e d a d d i t i o n a l l yi ta c h i e v e st w ov c og a i n so fd e c u p l ed i f f e r e n c e a n du n d e r6 m ac u r r e n t ，3vp o w e rs u p p l y ，t h ep h a s en o is eis 一1 0 2 5 d b c h z l o ok h z k e yw o r d s ：c a r i p 3 s t e r e of mt r a n s m i s s i o ni c ，f mp l l ，b e h a v i o r m o d e l i n g ，v c ow i t hd o u b l e t u n i n gp o r t i i i 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：1 驴论、日期：z 0 0 56 月f 4 口 l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扣 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密日。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 飞嘛 纫厉1 ： 1 日期：沙f 年6 月争日 日期：跏r 年月一日 第一章绪论 第一章绪论 本文论述的是调频锁相环集成电路的设计与研究，主要应用于f m 调频妒体 声发射器的调频部分。锁相环中心频率为1 ，5 2g h z ，发射中心频率为9 5m h z ， 属j 二射频应用范围。本章将主要介绍论文的研究背景、实现方案及设计难点，并 将简单介绍整篇论文的组织结构。 1 1 研究背景 要问当前最热门的产业有哪些，汽车和电子都应包含在内。而汽车产业和电 子产业结合而成的汽车电子产业则更是热上加热。掘市场研究公司i s u p p l i 称，中 国_ i 孑汽车相关的半导体消费预计将以每年2 8 的速度递增。汽车芯片市场到2 0 0 7 年将从2 0 0 2 年的4 1 6 亿美元增长到1 4 5 亿美元。中国汽车芯片市场预计占全球 芯片消费量的l o 。到2 0 0 7 年，中国将成为全球最大的汽车娱乐系统生产基地。 如今的轿车在性能和配置上都有了很大的提高，音响方面也进行了刁i 断的改 良。可是，汽车在乐曲播放方式上除了f m 接收以外，还是只有卡带和c d 两种。 卡带式的粗糙音质、c d 机的不便性正在令其失去原有的光环，更为重要的足， 这两种方式留给消费者自主选择曲目进行播放的空间很小。m p 3 播放器克服r 上 述缺陷，改变了人们交换信息的种类和方式。它在当今的音响市场上占据的地位 越来越重要，在汽车电子领域，也刁i 会例外。但这种随身听设备需要使用者佩戴 耳机，只能个人使用，若要实现资源共享可以将其音源输出插孔接上喇叭，或者 是透过功放接上整套环绕音响。但是在汽车上，或者是无法外接喇叭的时候，m p 3 音乐还是只能为一个人享受，并且，这种倾听音乐的方式对于司机而言，既不方 便，也不安全，同时，配置在车内的汽车音响发挥不了作用。车载m p 3 由此应运 而冀i 。这种新兴产品在极短的时间内成为了一种时尚的流行趋势。 现在并没有完全集成在汽车上的真丁f 意义上的车载m p 3 ，在其面世之前，很 多m p 3 的生产、销售商采用了一种折衷的方法一一使用无线f m 发射，这是。个 过渡时期中最理想的解决方案。 立体声f m 调频发射器其实就是一个个人微型广播电台，能将d i s c m a n 、m d 、 m p 3 等各种便携式音、视频播放器中的音频信号转换成高保真的无线f m 调频立 体声信号发射出去，汽车或者家里的收音机作为接收器，就能享受立体声音乐， 从而把音乐来个“乾坤大挪移”。其音质可以达到调频立体声电台的效果，扩展了 这姥播放器的应用功能和应用环境。 华南理t 大学l ：学硕七学位论文 作为一个便携产品，f m 发射器不例外地应当向小体积、低功耗的趋势发展， 集成、z 体声编码和信号调制与发射的i c 芯片是立体声f m 发射器的核心。本文研 究的调频锁相环集成电路就是立体声凋频发射芯片中用于信号调制和无线发射的 一人模块。它的工作性能直接决定了发射芯片的工作状况。 1 2 方案介绍 调频立体声发射i c 在一块芯片上实现了立体声编码和f m 发射两部分功能的 集成，芯片采用o 2 5umc m o s 混合信号工艺制作。 1 2 1 立体声编码( s t e r e oe n c o d e r ) 在立体声广播中，需要将左( l ) 、右( r ) 两个声道的信息传输出去。为了 实现一个发射机发射的立体声信号能被单声道和双声道两种接收机接收，通常采 胄 导频制的凋频立体声广播模式，即将( l + r ) 信号分配在普通音频频带上，将 t i l r ) 信号通过“双边带抑制载波( d s b s c ) ”的方式调制导频信号( 3 8k h z ) ， 分配在超音频频带r 二。这就是所谓的立体声编码。此外，为了提高声音质量，立 体声编码电路还应当包含预加重( p r e e m p h a s i s ) 、限幅( 1 i m i t e r ) 、低通陷波电路 ( 1 0 w p a s st r a pc i r c u i t ) 。图1 1 就是一个简单的袁体声编码原理图。 p r e e a 啦h a s t 5 g t c o i t o s 】n “ p r e 飞n o h u i s = t m n t 图1 1 立体声编码原理圈 f i 9 1 1s t e r e oe n c o d e r sb l o c kd i a g r a m 2 第一章绪论 1 2 2 调频发射( f mt r a n s m i t t e r ) 调频发射电路实际就是一个调频锁卡h 环，主要由鉴频鉴相器( p f d ) 、电荷 泵f c p ) 、环路滤波器( l p f ) 、压控振荡器( v c o ) 、1 6 分频器( d i v 1 6 ) 、可编 乖1 分频器( d i v i d e r ) 和功率放大器( p a ) 七部分构成( 如图1 2 ) 。 塑蛆曰一田一回 fl 厂塑幽塑盐 回 分频比控审j t 图1 2 调频发射电路框图 f i g 1 2f mt r a n s m i t t e rb l o c kd i a g r a m 调频锁相环的设计是本文研究的中心课题，也是调频发射电路最主要的组成 模块。v c o 的振荡频率经过固定1 6 倍分频器和可编程分频器的两次分频后，与 鉴频鉴相器p f d 的输入参考时钟比较，经过电荷泵c p 和环路滤波器l p f 的信号 转换和滤波，产生用于稳频的锁相环控制电压信号。立体声编码器产生的音频调 制信号输入到压控振荡器v c o 的音频调制端，与锁相环控制电压共同决定v c o 的瞬时振荡频率。环路锁定后，可编程分频器的输出信号频率与相位会保持与p f d 输入参考时钟的频率、相位一致，可见，可编程分频器的输入信号频率应是参考 时钟的n 倍( n 为分频比) 。因此，可编程分频器的分频比可以作为发射器的频 道控制，分频比每增加一倍，调频锁相环的发射频率随之增加参考频率的倍。 1 6 分频器的输出信号( 即可编程分频器的输入信号) ，经过功放p a 的滤波放大， 最终可以输出3d b m 功率的射频信号，传递给天线发射。 在我国的导频制调频立体声广播中，要求频带宽度为2 0 0k h z ，因此，在设 训中，将p f d 输入的参考时钟频率定为2 0 0k h z ，可编程分频器的分频比增加一 倍，发射频率增大2 0 0k h z ，也就是发射信号偏移到下一个频道。调频锁相耶的 输出，即功放p a 的射频输出应在调频广播发射频段范围内，即8 8m h z 1 0 8h z ， 因此，可编程分频器的分频比n 应当满足8 8 m n x 2 0 0 k 1 0 8 m ，即4 4 0 n 5 4 0 。 为了实现压控振荡器v c o 的全集成，应尽量提高v c o 的振荡频率，一股定在 g h z 以上，所以需将v c o 的输出信号作一次固定分频再发射。为方便起见，固 定分频比定为1 6 ，因此v c o 的输出频率变化范围将在【8 8 m 1 6 ，1 0 8 m 1 6 1 ， 3 华南理上大学【学硕十学位论文 即4 0 8g h z ，1 7 2 8g h z 内，取其中心值，将v c o 的中心振荡频率频率定在1 5 2 g h z 。 1 3 设计难点 一屿过时的、被人遗忘的技术往往会突然重放光彩，吸引人们再次的关注， 调频臣体声发射就是最好的一个例子。虽然无线广播从诞生，到兴起，再到现在 被无数绚烂的娱乐方式逐渐取代，但随着车载m p 3 这一新兴的时尚产品的流行， 无线广播技术再次成为研究的焦点。与以往大型的调频广播设备不同，作为便携 式的“个人电台”，这种车载m p 3 在体积、功耗和集成度上要求很高，这些要求 再加上射频段的工作应用，无疑增加了调频发射芯片的设计难度。作为典型的射 频电路模块，它也面临着所有射频电路设计的瓶颈问题。 1 3 1 射频设计的“六边形” 在射频电路设计中，有许多需要折衷考虑的性能指标，可以用一个“r f 设计 六边形【2 1 来归纳( 如图1 3 ) 。在构成这个六边形的六个参数中，几乎任意两 个都需要作折衷的考虑。因此，在射频电路设计中，没有最好的电路，而只有最 适合的。 1 3 2 设计工具的局限 嚷声七号功耗 线性度 额事 电源_ 增益 电压 图1 3r f 设计的“六边形” f i g1 3r fd e s i g nh e x a g o n 计算机辅助分析与综合在射频集成电路设计中，尚处于起步阶段，这就要求 工程师在设计中很大程度上要依赖自身的经验、直觉，借助并不那么有效的仿真 投巧来预测电路的工作性能。例如，在射频设计中，非线性度、时间差异( t i m e 4 第一章绪论 v a r i a n c e ) 、噪声是通过信号的频谱束反映的，但是在通常基于s p i c e 模型的交流 分析中，使用的都是线性时不变模型。因此，当电路在时域中进行仿真时，需要 考虑其非线性和时变效应。而且，仿真波形最终要转化成频域结果，以获得信号 频谱，而在这两个域之日j 的转换中，为了更加真实地反映频谱中各个频率分量， 尤其是相邻、相近频率分量的关系，必须将时域仿真的周期取得越长越好。这严 重影响了电路仿真的效率。此外，若在时域分析中考虑随机噪声的影响，就必需 研究出能令频谱有效收敛的方法。 i 3 3 无源器件片上集成及模型精度的缺陷 与数字或低频电路不同，电抗元件电感和电容往往是射频集成电路巾必不可 少的部分，虽然它们已经可以在片上实现，但是，目前它们和片外的电容、电感 ， 日比还有很大的差距，还不能完全满足射频电路的需要，有时甚至直接影响到了 i 皂路的性能。目前，对片上无源器件，尤其是对平面螺旋电感、可变电容的建模 一直是研究的热点与难点。 而自s p i c e 引导i c 设计进入计算机仿真时代以来，朋于电路设计的m o s f e t 模型得到了空前发展与完善，但进入到射频应用的今天，这些只着眼于低频应用 的传统模型还是突显出了其不足之处。一方面，这些模型忽视了高频下m o s 管、 片上电感、电容、衬底寄生参量对电路的影响：另一方面，这些寄生参量随偏置 条件和特征尺寸的缩小而变化的问题也没有模型能给出精确的模拟。在这样一个 模型不精确、仿真工具效率不高的前提下，经验和多次流片验证的分析积累，对 名r fi c 设计师而言尤为重要。 1 4 论文研究的工作及结构安排 本文主要研究的是调频锁相环集成电路的设计与研究，即整个f m 立体声发 射芯片的调频部分。对于像锁相环这样个复杂的负反馈系统，各模块参数值的 确定、系统的仿真验证等，是一项非常繁琐、费时、耗资源的工作。为了提高芯 片设计效率、加速设计进度，必须对环路进行行为级的建模。通过对环路模型的 仿真，来确定系统方案的可行性，并验证单元电路模块在环路中的i ：作性能和栩 互影响。 本文系统介绍了采用v e r i l o g a 进行的环路行为级模型的搭建，并通过行为 级仿真，研究了环路带宽对锁相环锁定时间、锁定性能的影响。在电路设计i ：， 介绍了各个模块的电路结构、版图，以及仿真结果，并重点时论了p l l 的难点模 块v c o 的设计，对v c o 的降嗓技术做了详尽的分析。 华南理j 人学l 学硕士学位论文 具体的内容结构安排如卜： 第二章“调频锁相环及其行为级建模”，介绍了调频及调频广播的原理。并系 统讨论了调频锁相环的工作原理。采用c a d e n c e 提供的v e r i i o g - - a 语言，构建了 调频锁相环的系统行为级模型，并通过仿真比较，讨论了环路带宽对系统的影响。 第三章“射频c m o s 尤件”，讨论了c m o s 工艺中，无源器件片上集成的实 现，分别介绍了电阻、电容、电感以及可变电容的选择，及精度影响。 第四章“p f d 、c p 、d i v 的电路设计”，简要介绍了鉴频鉴相器、电荷泵和 16 分频器的电路原理，给出了仿真波形和版图。 第五章“环路滤波器l p f ”介绍了l p f 的基本原理，电路参数计算方法并 给出了仿真结果。 第六章“v c o 的理论、设计与仿真”比较了几种常用的振荡器结构，重点讨 论了l c 振荡器的降噪技术，给出了仿真结果和版图。 第七章“可编程分频器的设计”介绍了采用吞脉冲技术的高频可编程分频器 工作原理，电路实现和版图。 第八章“环路仿真结果”给出了环路行为级的仿真曲线，并对仿真结果的差 异做了简要讨论。 第九章“测试结果”主要给出了v c o 的测试结果及简要分析。 第十章“总结与展望”总结了设计的缺陷与不足，并提出了一些后续的改进 设想。 整篇论文的着眼点在于系统方案的确定和电路的设计实现及仿真，而v c o 的设计又是重中之重，因此第二章和第六章是本文的重点。 6 第：章调频锁相环及其行为级建模 第二章调频锁相环及其行为级建模 2 1 基本锁相环的构成与工作原理 锁相就是自动完成相位同步。能够实现两个电信号相位同步的自动控制系统 叫做锁相环路。简称锁相环。锁相环是一个系统跟踪另一个系统的装置，更精确 的说，就是一个系统中由振荡器产生的输出信号在频率和相位上与参考信号或输 入信号同步。 锁相环路实质是一个相位差自动调节系统。为了掌握坏路的工作原理，理解 环路工作过程中发生的物理现象，首先给出图2 1 所示的最基本的锁相坏方框图。 它包括三个基本部件：压控振荡器( v o l t a g ec o n t r o lo s c i l l a t o r ) v c o 、攀相器( p h a s e d e t e c t o r ) p d 和环路滤波器( 1 0 0 pf i l t e r ) l f 。 焉曜兰竺兰里p 图2 1 基本锁相环方框图 f i 9 2 1b a s i cp l l a r c h i t e c t u r e 鉴相器是相位比较装置，所以有时也被称为相位比较器或相敏检波器。它把 输出信号u l ( t ) 和参考信号u 2 ( t ) 的相位进行比较，产生对应于两个信号相佗差0 。 的误差电压u d ( t ) 。 环路滤波器l f 是一个低通滤波器( l p f ) ，其作用是滤除误差电压u d ( t ) 中的 高频成分和噪声，以保证环路所要求的性能，增加系统的稳定性。l f 的输出信号 为控制电压u 。( t ) 。 压控振荡器受控制电压u c ( t ) 的控制，使压控振荡器的频率向参考信号的频率 接近，也就是使差拍频率越来越低，直到消除频率差而锁定。 假设输入信号u l ( t ) 的角频率“i 等于。o ( 。o 为v c o 的中心频率，也即控制 电压u 。( t ) = 0 时的频率) 。此时，相位差0 。为零，那么p d 的输出也为零，l f 的 输出也必然为零。因此，v c o 输出频率必然为其中心频率o 。如果输入信号u l ( t ) 的角频率u 1 不等于u0 ，那么p d 会产生非零输出u d ，环路滤波器也将产牛输出 信号u 。( t ) ，这将使v c o 的中心频率朝着相差e 。消失的方向变化。 假设输入信号频率在t o 时刻突变u ，输入信号的相位开始偏离输出信号相 7 华南理【：大学i ：学硕十学位论文 位，两者之f t j 产生相位差，并随时问而增人。这时，p d 产生的输出信号u d ( t ) 也 随时f h j 而增大，经过环路滤波延迟后，u 。( t ) 也增大，这就使得v c o 的频率提高， 牛h 位差减小，经一段时f 、日j 之后，p l l 锁定，v c o 的频率将精确地等于输入信号的 频率。其最终相位差将根据所使用的环路滤波器类型可能减小到零或很小的有限 仃e 。显然，此时v c o 的_ 1 ：作频率u2 比其中心频率u0 高( i ) 。那么，环路滤波 器输出u c ( t ) 最终应为u c ( t ) = ( i ) k ，k 是v c o 的压控增益。 当锁相环电路丌始工作时，假定其振荡器的工作频率远离输入频率，也就是 锁十日环处于未锁定状态。可以证明，如果用上述最基本的锁相环，环路的“捕获 范围”( 锁定的锁媚环能够跟踪到的输入频率的范围) 与ol p f ( 低通滤波器l p f 的3 d b 带宽) 是同一数量级，也就是说，只有在输入角频率ul 和输出角频率。2 之间的差比。l p f 略小时，环路才锁定f 3 l 。 为了改善捕获的问题，现代的锁相环除了相位检测外还包含频率检测。开始 时，鉴频器驱使u2 接近u i 值，而此时鉴相器保持“静止”。当。2 与u - 之差的 绝对值足够小时，相位锁定环才开始工作，获得锁定。这种方法可以把捕获范围 提高到v c o 的频率调节范围。图2 2 是增加了频率检测的p l l 方框图。 h 图2 2 为提高获取范围而增加频率检测 f i 9 2 2a d d i t i o no ff r e q u e n c yd e t e c t i o nt oi n c r e a s et h ea c q u i s i t i o nr a n g e 对于周期性的信号，我们可以设计出。个电路，该电路既能检测相位差又可 以检测频率差，这样就可以把图2 2 的两个反馈回路合并。这就是鉴频鉴相器 ( p f d ) 。现在最普遍的做法是将鉴频鉴相器和环路滤波器之间插入1 个电荷泵 ( c h a r g ep u m p ) c p 。鉴频鉴相器检测出参考信号和压控振荡器输出时钟信号问的 相差和频差，产生u p 或d o w n 脉冲信号并送入电荷泵，在电荷泵中脉冲信号被 转化成电压或电流源，然后对低通滤波器进行充放电。另外，为了得到输入频率 的m 倍频率，可以在v c o 和p f d 之间插入一个l m 分频器，这样，锁相环的输 j 频率除以m 倍后再送回鉴频鉴相器，于是有f o 。= m f i 。图2 3 就是一个频率倍 增的电荷泵锁相环。 8 第二章调频锁相环及其行为级建模 ，i n 2 2 调频锁相环 图2 3 频率倍增的电荷泵锁相环 f i 9 2 3c p p l lf o rf r e q u e n c ym u l t i p l i c a t i o n 2 2 1 调频原理及调频立体声广播概述 1 、调频原理 ，a u l 调频就是使高频振荡的频率按照调制信号电压( 或电流) 的幅度变化规律成 e 比地变化，而已调波的振幅保持不变，波形如图2 4 所示。 图2 4 单音频调制信号和调频波 f i 9 2 4m o d u l a t i n gs i g n a lo fs i n g l ea u d i oa n dm o d u l a t e dw a v e 9 华南理工人学j ：学硕十学位论文 设载波的瞬时电压为： “( f ) = u ，c o s ( g o c t + ) = u ，c o s o ( t ) ( 2 i ) 式( 2 1 ) 中，鳞为未调制时的载波角频率，称为中心频率，护( r ) 为载波的总相 位c 若调制信号电压为：“。( f ) = u 。c o s f 2 t ，则根据调频的定义，已调频波的瞬时 角频率表示为： 鄱( f ) = g o c + k ，u n c o s q t = 啡+ a a ；，c o s f 2 t( 2 2 ) 式( 2 2 ) 中，k ，为比例常数，称为调制灵敏度，表示单位调制电压时角频率的 偏移值。q = kr u 。为已调频波的最大频偏。它与调制电压成正比，与调制频 率无关。由于角频率c o ( t ) 总相角一( r ) 的变化率，即：c o ( f ) ：掣，则： 口( f ) = 肛删f = ( q + z x o b c o s 2 t ) d t a c ， 2 哎h 言s i n f 2 t + ( 2 3 ) = 鳞f + ”，s i n o t + 式( 2 3 ) 中，m ，= 鲁称为凋频指数，它与频偏成正比，与调制信号频率成反 比。最后可得到已调频波的数学表达式： “( f ) = u 。c o s ( t o ，t + m ，s i n q f + ) ( 2 4 ) 2 、调频立体声广播 在人们的听觉中，除了对声音的强度、音调和音色的感觉外，还有一种空问 印象的感觉。使聆听者不但可以从音色中区别各种乐器的类别，而且应用双耳听 觉特性，还可以判断各种乐器的位置。也就是说，聆听到层次分明、具有市体感 ( 方位和深度感的声音效果) ，这就是通常所说的立体声。 目前，国际上较为普及的立体声都是双声道的。双声道立体声的原始信息是 左、右路声频信号，简称“l ”信号和“r ”信号。录制立体声节目时，山于卢源 的宅间分布位置不同，使得到达两只录音话筒的左、右路声音的强度及时问小i 司。 l 和r 两路信号的强度差、时间差( 或相位差) 构成了立体声定位信息。重放立 体声节目时，经左、右两路喇叭( 或耳机) 发出的声音能按比例地再现这种强度 差和时间差，结果使聆听者感到声音好像不是来自两个喇叭，而是出现在两个喇 叭之间的空间相应的点，以“声象”形式重现原声场的声音。这样，聆听者就获 得了身临其境的幻觉。立体声广播使用一个载波来完成两个或两个以上信息传输 的多路传输技术。具体的做法就是用频率搬移法将左、右路信号安插在互不蕈叠 的频带内形成基带信号，再用基带信号去调制载波。具体的做法是用频率搬移的 1 0 第二章调频锁相环及其行为级建模 疗法将左、右路信号安插在互不重叠的频带内形成基带信号，再用基带信号去调 制欲发射载波。这种方法称为频率分割法，具有兼容性和逆兼容性。即单打道调 频接收机可以接收到左、右两卢道的全部信息，只是没有立体感；而对于荸声道 的广播，立体声接收机也同样能接收到，只是两个声道的内容一样。 频率分割法对左、右路信号的“和”( m = l + r ) 与“差”( s = l r ) 进行 频率分割。具体做法是把m 信号分配在音频段：而原本位于音频段的s 信号对超 爵频副载波调制，从而将其搬迁到超音频范围。这样，处于音频段的m 信号和处 十二超音频段的s 信号形成一个基带信号，基带信号再对v h f 的载波调频，形成 调频立体声广播。 山以上分析，频率分割法采片j 了两次调制，即s 信号对超音频副载波的调制 和基带信号对v h f 载波的调制。本次设计的调频锁相环就是用丁基带信号对载波 的调制的。 导频制( b r s c ) 是美国提出并得到国际无线电咨询委员会推荐，世界上人多 数国家，包括我国采用的一种调频立体声广播形式。图2 5 足导频制立体声基带 形成电路( 立体声编码器或调制器) 。 与圉 马囤 f = 3 0 l 【z 图2 5 导频制立体声基带形成电路 f i 9 2 5b r s c s t e r e ob a s e b a n df o u n d a t i o n 由图可知，导频制采用和、差传送方式，以实现兼容性。主信道传送代表节 f 全部信息的信号一一“和”信号( m = l q - r ) ，其频率范围为4 0h z 15k h z ， 这样就能实现与普通单声道调频接收机的兼容。 在导频制中，选择3 8k h z 的超音频率作为副载波用l 与r 信号的“差” 信号( s = l r ) 对该负载波进行抑制副载波的调幅，保留上、下两个边带构成 副信道s 。由于差信号s 的频率范围也是4 0 1 5k h z ，因此副信道占据的频率范 围是2 3 ( 即3 8 一1 5 ) k h z 5 3 ( 即3 8 + 1 5 ) k h z 。 华南理r 大学i 学硕十学位论文 为了在调频立体声接收机中解调出差信号，必须在接收机内产生一个频率、 牛 f 位均与发射系统相同的3 8k h z 的副载波。为此，在发射端用主、副信道频谱的 蚓隔处，再发射一个1 9k h z 的导频信号。这样，接收机端恢复出导频信号后，经 倍频成为副载波，以便与恢复出的副信道信号的卜、下两个边带叠加，形成一个 完整的双边带调幅信号，再用包络检波器检出差信号s 。此外，导频信号还可以 作为立体声广播的指示信号。综上所述，导频制立体声复合信号是由三部分组成： 主信道m 、副信道s 和导频信号，三者形成基带信号。图2 6 给出了导频制基带 坜i 谱。 e 怒l - 瞥 1 坤 柏 档i伸 1 0 1 。 i l o 【 习謇同踟 i - 3 7 9 1 聃明 l v h n 图2 6 导频制基带频谱图 f i 9 2 6b r s cb a s e b a n ds p e c t r u m 表2 1 我国调频立体声广播的主要技术参数 t a b l e 2 1m a i ns p e c i f i c a t i o n so ff ms t e r e ob r o a d c a s ti nc h i n a 簇事范围 8 7 5 1 8 0 h 征h 最大频偏 7 h z 最高调制频率 1 5 k 乜 预加重时间 5 00 - s 电波极化方式水平极化 载、瘐允许偏差 2 0 1 06 频带宽度2 0 0 k h z 导频频率l 吸i - i z 2 h z 导频信号相位允许偏差 5 。 导频信号对主载波的调制度 8 n 1 0 副羲；良频率 3 9 k h r 副载波调制厨式 抑制副载波调幅 残余副载波的调制度 1 左右信号分离度1 0 0 1 0 0 0 0 h z 3 0 d b 左右信号电平差1 0 0 1 0 0 0 0 h z 15 d b 1 2 第二章调频锁相环及其行为级建模 从图2 6 中可以看出，导频制的基带包含4 0h z 15k h z 的主信道、1 9k h z 5 3 k h z 的副信道信号，将两者结合一起再对v h f 主载波调频。 我国参照了国际无线电咨询委员会( c c i r ) 的规定，制定了我国调频屯体声 广播的主要参数要求，其主要性能参数如表2 】所示”。 2 2 2 调频锁相环的原理 在一般的锁相环稳频振荡电路中，p l l 环路的主要作用是稳定压控振荡器的 频率，使其达到所要求的频率稳定度。面对于调频锁相坏路，则要完成两个任务， 一个是要通过p l l 系统来稳定v c o 的中心频率，使其稳定在技术指标所规定的 范围内；另一一个就是要用调制信号对v c o 进行调频，使v c o 的瞬时频率随调制 信号而变化。因此，锁相环路的稳频与进行调频这两者是互相矛盾的，这就决定 _ r 调频锁相环路构成的特殊性。这种特殊性主要表现在两个方面，一是对环路滤 波器的特殊要求，二是分频器d i v i d e r 的必要性。 1 、环路滤波器的特殊要求 由前面分析可知，锁相环路实质e 是个负反馈系统，当锁定后的v c o 中 心频率变化时，要求p f d & c p 输出一个相应的电压反馈给v c o ，从而使v c o 的 振荡频率返回到原中心频率上。在实际工作中，导致v c o 频率发生变化的冈素 很多，归纳起来可以分为两类，一类是外界条件诸因素( 如电源电压的变动、负 载变化、环境温度及湿度变化等) 引起的变化，是调制电压进j j ：调频时所引起 的变化。前者将造成v c o 中心频率不稳定，后者将产生所需要的调频信弓。因 此，p f d & c p 的输出电压中也包括两个部分，一是v c o 中心频率不稳定时引起 的误差电压，一是调频时引起的误差电压。我们只允许第一部分误差电压反馈给 v c o 。若将第二部分误差电压反馈到v c o ，就会由于负反馈的作用造成己调频波 的频偏减小，即产生所谓的逆调制，且随着调制频率的降低，负反馈量将增人， 使频偏进一步减小，导致低频特性变坏。所以，l p f 除了抑制p f d 输出的载波泄 漏和参考信号的各种谐波外，还应将调制时产生的误差电压( 即p f d 检出的音频 信号电压) 滤除掉。这是调频锁相环路对低通滤波器设计的基本要求。 2 、采用分频器的必要性 调频锁相环除了稳定中心频率之外，在压控振荡器中还要进行调频。在调频 过程中，压控振荡器的振荡频率将随着调制信号的变化而变化，但这种变化不应 引起环路失锁，否则v c o 中心频率将无法稳定。假设调制信号加入之前，p l l 华南理工人学上学硕士学位论文 ! 经处于锁定状态，即p f d 两输入信号同频同相。当调制信号加入之后，v c o 输5 的调频波的最大相移( 即调频指数) 可以表示为：a 妒：州，：婴。调频厂 播规定最大频偏为7 5k h z ，利用上式，可以算出它的最大相位偏移( 假设音频 信号频率为5 0h z ) ： n 妒- 芝型：1 5 0 0 ( r a d ) ( 2r 5 ) 2 石5 0 。 我们知道，在各类鉴频鉴相器中，鉴相范围最大也不过2 刀，若将上述调频信 号送至p f