（微电子学与固体电子学专业论文）高性能dtv专用cmos+pll设计技术研究.pdf

摘要 摘要 现代通信技术和音视频技术的飞速发展，使具有众多优点的数字电视以飞快速度进入千家万户。 作为数字电视接收机的一个重要部件数字电视调谐器在数字电视的接收当中占有重要地位。而为 了保证电视信号转换到中频的信号纯度，就需要一个锁相环频率综合器为变频器提供稳定的、宽带可 编程的低噪声本地振荡源( l o c a lo s c i l l a t i o n ) 。本文以基于d v b c 的有线数字电视为目标，系统的研 究了基于标准3 3 v0 2 5 j m ac m o s 工艺的高性能宽带数字电视锁相环的设计与实现。 本文系统地研究了频率综合器输出信号中的一些非理想效应及其对接收机产生的影响，重点分析 了相位噪声对接收机一些重要性能的影响，根据数字电视的相关标准，系统的研究了本振信号相位噪 声影响q a m 接收机性能的机理，得到了d v b c 系统对射频前端本振信号的性能指标要求。 本文设计的锁相环环路滤波器结构针对宽带应用作了改进，并深入讨论了滤波器参数变化对环路 响应的影响，探讨了一种可以保证宽带锁相环响应稳定性的滤波器参数优化方法。论文还针对环路的 输出相位误差性能优化应用了一种滤波器设计技术。 论文根据电荷泵锁相环的噪声传输特性，改进了传统的电荷泵锁相环噪声模型，并基于各模块的 结构特点，分析得到了基于电路特性的各模块相位噪声模型，构成了面向设计的锁相环噪声模型，使 其可以直观有效地用于指导和评估锁相环的设计。该模型通过仿真和测试结果得到了验证。 论文根据宽带锁相环对高频模块的特殊要求，分析了传统的模拟和数字自动幅度控制( a a c ) 电 路的优点与不足，采用了一种创新的压控振荡器( v c o ) a a c 电路，该电路能够保证v c o 在宽带工 作时的起振以及维持振荡幅度的一致性，在获得较为一致的相位噪声性能的同时a a c 电路本身对相 位噪声几乎没有影响。另外，论文还设计了一种改进的可工作于宽带高频的双模预分频器，通过和其 它结构比较证明，其工作速度得到了大大提高，并且具有较低的功耗。 论文还分析了锁相环中的另两个重要模块一鉴相器电荷泵和晶体振荡电路。针对电荷泵的失配 问题，通过分析得出了相应的版图设计原则，通过仿真测试证明设计的电荷泵具有极低的电流失配。 针对c m o s 电路的特点，论文设计了一种新颖的交叉耦合晶振电路，并通过l ( m o l l 模型对晶振的相 位噪声进行了分析和优化。 最后论文针对设计的宽带锁相环频率综合器进行了全面的测试并优化了环路滤波器参数。测试得 到设计的锁相环频率综合器基本上能在整个工作频段( 8 0 m h z 9 0 0 m h z ) 内取得比较高的性能。v c o 的相位噪声都低于8 0 d b c h z 1 0 k h z ，大部分频率都低于，8 5 d b c h z 1 0 k h z 。通过环路参数的优化设 计，本振信号的均方根相位误差基本上达到了低于3 1 。，而锁相环的参考杂散均低于- 7 0 d b c 。该频率 综合器在应用到数字电视调谐器后，能够实现了对d v b - c6 4 q a _ m 数字电视的高性能接收。 泵 关键字 c m o s ，数字电视( d t v ) ，d v b - c ，o m ，锁相环，频率综合器，压控振荡器，电荷 晶体振荡器，s c l 单元，相位噪声，相位误差，失配 东南大学博士学位论文 a b s t r a c t t h er a p i dg r o w t ho f m o d e mc o m m u n i c a t i o na n da u d i o v i d e ot e c h n o l o g ym a k e sd i g i t a lt v ( d t v ) m o r e a n dm o r ep o p u l a rw i t l ii t sm a n yi n h e r e n ta d v a n t a g e s a so n eo fm o s ti m p o r t a n td e v i c ei nd t vr e c e i v e r s d t vt u n e r sp l a yak e yr o l ei nt h ed t vr e c e p t i o n t oe o n v e t tr ft vs i g n a l st oi fa n da n s m ei tp u r i t y , a p h a s el o c k e d - l o o p ( p l l lf r e q u e n c ys y n t h e s i z e ri sn e e d e dt og e n e r a t eas t a b l e ，w i d e - b a n d ，p r o g r a m m a b l ea n d l o wn o i s el o c a lo s c i l l a t i o ns o u t c c t h et h e s i sr e s e a r c h e st h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no f a3 3 vo 2 5 1 a nc m o s w i d eb a n dp i 工w i t hh i g hp e r f o r m a n c ef o rd t v w h i c hb a s e do nt h ed v b cc a b l e d t v f i r s t ，t h et h e s i sd e s c r i b e st h ee f f e c to f f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r so u t p u tn o n - i d e a l i t yo nt h ep e r f o r m a n c eo f r e c e i v e , l t x 3 t h ee m p h a s i si sp o to np h a s en o i s e se f f e c to ni m p o r t a n tp e r f o m m c e so fr e c e i v e r s ，b a s e do nt h e d t vs t a n d a r d , t h et h e s i sh a sp o ta ni n s i g h to nh o wp h a s en o i s ea f f e c t sq a mr e c e i v e r s t h e nt h e r e q u i r e m e n t so nt h ep a r a m e t e r so f t h es y n t h e s i z e ra r ed e r i v e d s e c o n d , t h ei d e n t i c a ll o o pf i l t e ro f t h ep r o p o s e dp l li sa n a l y z e di nt h et h e s i s at h o r o u g hd i s c u s s i o no l l t h ee f f e c to f t h ef i l t e rp a r a m e t e r so nt h el o 叩r e s p o n s ei sc a r r i e d t h e naf i l t e ro p t i m i z i n gm e t h o d sw h i c hc a n e n s u r et h ew i d eb a n dp l u ss t a b i l i t yi sd i s c u s s e d a n o t h e rf i l t e ro p t i m i z a t i o nt e c h n i q u ei su s e dt or e d u c et h e s y n t h e s i z e r sp h a s ee r r o r t h 耐a c c o r d i n gt ot h en o i s et r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c s a ni m p r o v e dn o i s em o d e lf o rc p - p l li sp o t f o r w a r d b a s e do l lt h es t r u c t u r e so f t h ep l u sb l o c k s ，p h a s en o i s em o d e l so f e a c hb l o c ka r ea n a l y z e da n da r e u s e di nad e s i g n - o r i e n t e dp l lp h a s em o d e lw h i c hc a ng u i d ea n de v a l u a t et h ed e s i g nm o r ed i r e c t l ya n dm o r e e f f i c i e n t l y n em o d e li sv e r i f i e dt h r o u g hs i m u l a t i o na n dt e s t i n g f o u r t h ，t om e e tt h es p e c i a lr e q u i r e m e n t so ft h eh i g hf r e q u e n c yb l o c k so ft h e1 i d eb a n dp l l ，t h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h ec o n v e n t i o n a la n a l o go rd i g i t a la u t o m a t i ca m p l i t u d ec o n t r o l ( a a c ) c i r c u i t si sd i s c u s s e da n dan o v e lv c oa a cc i r c u i ti sp r e s e n t e d t h i sc i r c u i tc a nm a k et h ev c os t a r t o s c i l l a t i o na n dh a v en e a r l yt h es a m eo s c i l l a t i o na m p l i t u d e ，a n di tc a nm a i n t a i nt h ep h a s en o i s eo f v c o sa n d h a st i t t l ee f f e c to ni li na d d i t i o n , a ni m p r o v e dh i g hf r e q u e n c ya n dw i d eb a n dp r e s c a l e ri sp r e s e n t c o m p a r e d w i l ho t h e rs t r u c t u r e s t h ei m p r o v e ds n u c t i l 撑o p e r a t e sf a s t e ra n dh a sal o wp o w e r f i f t h ，t h et h e s i sa n a l y z e dt h ed e s i g no fp h a s ef r e q u e n c yd e t e c t o r c h a r g ep u m p ( p f d c p ) a n dc r y s t a l o s c i l l a t o r si nt h ed t vs y n t h e s i z e r a i m i n ga tt h em i s m a t c ho fc p , t h et h e s i sp r o p o s e das e r i e so fl a y o u t d e s i g nr u l e st or e d u c ei t s i m u l a t i o na n dm e a s u r e m e n tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ec ph a se x t r e m e l yl o w m i s m a t c hc u r r e n t s an o v e lc m o sc r o s s - c o u p l e dc r y s t a lo s c i l l a t o ri sa l s od e v e l o p e da n da n a l y s i sb a s e do n t h el e s s o n sp h a s en o i s em o d e li st a k e nt oo p t i m i z et h eo s c i l l a t o r sp h a s en o i s e f i n a l l y , ac o m p r e h e n s i v em e a s u r e m e n ti sp e r f o r m e dt ot h ep r o p o s e dw i d eb a n dp l lf r e q u e n c y s y n t h e s i z e r t h em e a s u r e m e n tf 器u i t ss h o wt h a tt h ep l la c h i e v e dh i g hp e r f o r m a n c ei na l m o s tt h ew h o l e f r e q u e n c yr a n g e n ep h a s en o i s eo ft h ev c o si s a l lb e l o w 一8 0 d b c h z 1 0 k h za n dm o s t l yb e l o w 8 5 d b c h z 1 0 k h z b ya d j u s t i n gt h el o o pp a r a m e t e r s bp h a s ee r r o ro fl oi sm o s t l yb e l o w3 1 0 t h e r e f e r e n c es p u ri sa l lb e l o w 一7 0 d b c w h e nt h es y n t h e s i z e ri sa p p l i e dt ot h ed t vt u n e r , t h et vs e tc a nr e c e i v e t h e d v b - c6 4 q a m d t vs i g n a l sc l e a r l y 1 1 1 eh i g h p e r f o r m a n c er e c e p t i o n o f d t vs i g n a l s i sr e a l i z e d k e y w o r d ：c m o s ，d i g i t a lt e l e v i s i o n ( d 1 、，) ，d v b - c ，q a l ，p h a s el o c k e d - l o o p ( p l l ) ，f r e g u e n c ys y n t h e s i z e r , v o l t a g e - c o n t r o l l e do s c i l l a t o r ( v c o ) ，c h a r g ep u m p ( c p ) ，c r y s t a lo s c i l l a t o r ( x t a lo s c ) ，s o u r c e - e n u p l e dl o g i c ( s c l ) c e l l ，p h a s en o i s e ，p h a s ee l t o r ，m i s m a t c h n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南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已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名： 篁：堕量 导师签名： 社日 第一章前言 第一章前言 本章首先介绍论文的研究背景，详细阐述了论文的研究意义，然后概括的介绍了锁相环( p l l ) 频率综合器相关研究的现状以及所能达到的性能指标，最后阐明论文的研究内容和组织架构，给出该 论文的主要贡献。 。 i i 课题的提出 未来1 0 年是视像飞跃的时代。无论在家还是户外，或是行驶的汽车里，广播商会提供各种电视接 收互动业务。电视信号不但要满足人们对信息内容和通信的需求，还要满足在工作环境和休闲娱乐移 动接收、无线接收的需求。数字电视是从黑白电视到彩色电视后的又一次“革命”，是中国百姓对高画 质和高音质的不懈追求的体现。随着消费水平的提高和人们对生活品质的不懈追求，越来越多的消费 者把目光投向了数字高清晰度电视。 数字电视( d i g i t a lt v ) 是从电视信号的采集( 拍摄) 、编辑、制作、播出、传输、接收整个广播 链路数字化的数字电视广播系统。数字电视利用m p e g 标准中的各种图像格式，把现行模拟电视制式 下的图像、伴音信号的平均码率压缩到大约4 6 9 - - 2 1 m b p s ，其图像质量可以达到电视演播室的质量水 平、胶片质量水平，图像水平清晰度达到5 0 0 1 2 0 0 线以上，并采用a c - 3 声音信号压缩技术，传输 5 1 声道的环绕声信号。按图像清晰度分类，数字电视包括数字高清晰度电视( h d t v ) 、数字标准清 晰度电视( s d t v ) 和数字普通清晰度电视( l d t v ) 三种。按信号传输方式分类，数字电视可分为地 面无线传输数字电视( 地面数字电视) 、卫星传输数字电视( 卫星数字电视) 、有线传输数字电视( 有 线数字电视) 三类。 随着数字电视技术日趋成熟，取得了令人鼓舞的成果。数字电视具有十分广阔的市场前景，各国 也在大力推动数字电视的普及，2 0 0 6 年世界杯足球赛首次采用数字电视向全球转播。我国作为电视大 国，对进军数字电视领域也是雄心勃勃，2 0 0 3 年就已经被国家广电总局确定为中国数字电视元年，2 0 0 4 年将主推付费电视业务。我国的数字电视普及计划是2 0 0 5 年全国四分之一的电视台将发射和传输数字 电视信号；2 0 1 0 年全国将全面实现数字广播电视，东部相对发达地区将普及数字电视：2 0 1 5 年全国将 停止模拟广播电视的播出。 然而，我国消费电子行业总量虽大，但结构不尽合理，尤其核心技术( 如相关的集成电路设计) 掌握在国外企业手中。而相关的标准，一直是国外组织制定，主要分为欧洲d v b 标准、美国a t s c 标准和日本i s d b 标准三大阵营，作为世界上电视消费的大国，我国自主知识产权的数字电视标准也 于2 0 0 6 年初完成。而其中涉及的数字电视的核心技术主要有信源编解码技术、复用系统，信道编解码 及调制解调等技术。而从数字电视的终端接收方面来讲，除了这些核心技术外还有许多与传输标准关 系不是太密切却十分重要的关键技术，如射频信号的接收与转换、条件接收及高清晰显示屏( 目前主 流为液晶和等离子平板) 等等。这些关键技术除了要制定相关标准外，更重要的是要通过自主知识产 权的硬件来实现，如信号的接收主要靠调谐器，而高清显示器主流为平板显示器，包括液晶和等离子 平板等等。为了避免巨大的数字电视市场被国外产品垄断，国家发改委确立了数字电视调谐器专用芯 片及产品产业化专项，这对推动我国数字电视相关核心技术的自主知识产权具有相当重大的意义。东 南大学国家专用集成电路系统工程技术研究中心主要承担了前端调谐器专用芯片的开发和产品产业化 的任务。 该前端调谐器专用芯片主要用来实现将调制好的电视信号从射频向中频转换，是典型的射频接收 机，而频率综合器是射频接收机的重要组成部分。它的主要任务是提供高纯度的本地振荡信号，用于 和射频信号差频出中频信号，实现频率转换的目的。因为地面电视和有线电视所使用的射频频段相同 ( 4 8 m h z 8 6 0 m h z ) ，且中频频率也相同( 根据不同国家或组织的标准，一般为3 6 4 4 m h z ) ，本课 题主要针对该频段进行频率综合器的设计。另外，由于国内的有线数字电视的标准已经确定( 参考欧 l 东南太学博士学位论文 洲d v b c 标准，采用6 4 q a m 调制技术) ，因此本课题主要针对d v b c 标准对频率综合器进行优化， 当然该簇牵综台嚣瓣性襞霹样能满慧地委数字奄视我要求。强1 1 绘出了兰娄电携溺；誊器瓣蠢大整髓 的不同要求口j 。从中可以看出数字有线电视调谐器对相位噪声的要求最商，而相位噪声则怒频率综合 嚣所独裔的指标。 m r - 樱辑冉线电税诫隈器数字霄缝也税璃游器靛审蛾印 乜筏鹪辩嚣 蹦1 1i 类电视调谐器对五大主要技能敖要求 本振的相位嗓声性能反映了系统在相邻通道并有强信号存在的情况下检测弱信号的能力。相位嗓 声对系统将会产擞以下影响： 1 ) 麴罄频遴移载波之麓产生鞠置于抗，侵褥埝蠢售号售曝跑( s n ) - f 降； 2 ) 在数字通信中会增加误码率( b e r ) ； 3 ) 造成处理器发生故障。 振荡嚣输毒落号孛静襁度噪声援窖易去除，两褶佼噪声帮琴荔去豫，无法霜增鑫嚣其缝电路貔寿法 来削减，而只能通过p l l 本身的设计来提高。因此高性能( 主要是低相位噪声) 的p l l = 菸片的设计 也就成为业界研究的热点。 垂予起步较牮，美謇、欧湃、韩潼、基本、台湾等藿家与缝送静公霹帮离棱褒瓣频集蔽电路( 识 括p l l 频率综合器) 的研究水平较高，而中困大陆多个高校和研究所虽然已经开始了对射频集成电路 设计的探索，但可商用的成果很少，主要精力正在从蒸础模块的研究逐步转向针对主流应用的大规模 慈片嚣麓，翔移动通僖、数字电筏、g p s _ 饔8 0 2 + l l a y a g 耱关瓣收发辊等。在接l | 殳极中瓣菇性能瓣频 p l l 频率综合器的研究成果还较少。 由予c m o s 王艺具有成本低、甥于集成、容易实现数模混念等优点，且目前c m o s 技术已能接 避1 0 g h z 的工律籁率，置僚能可班接近其毡岗频工艺( g a i n ，s i g e 、s ib 谗o l a r ) 。本顼蟊承担的谲游 器专用芯片选择了新加坡特许( c h a r t e r e d ) 的0 2 5 1 a m 、2 p 5 m 的射频c m o s 工艺。而本论文的目标就 是要在橼准c m o s 工艺下，设计出霹用于数字毫援疆潢器静高性能频率综会器，焉主要戆性能要求除 了满足频率调谐范围井，需要在全波段范围( 总共变化约8 0 0 m h z ) 内实现满足数字电视接收要求的 相位噪声，也即设计一个通用于有缝数字电视接收机的宽带低相位噪声的p l l 频率综合器。 1 2 课蹶在数字电视调谐专用芯片的地位 对于同一种j 燕用，采用不同的接收机构架，频率综合器的缩构和指标要求也可能大不一样。目前 用数字电视调谐器芯片主要有单次变频架构、二次变频架构唧，两每一种构架又可以根据中频信号的 频率分为中频( 一般为3 6 - - 4 4 m h z ) 、低中额( 4 - - 6 m h z ) 和零审频三种翰架，箕巾的低中颠和零中频 构架都适用于调谐器芯片盼全集成。在有线数字电视方强，最流行的是单次变频中频架构、二次变频 孛频桨构霸荸次变频酝中鬏架梅。 1 ) 革变频结构。通过跟踪滤波嚣对全射频电视信譬滤波，调整该滤波器的中心频率获得所需频邋 的电视信号，一般滤波器聪面会接兰个下变频器，把选中的射频信号降鬻中频电视信号，这种结构主 簧疑熹燕鼗踪滤波器戆住筑缀难捷糍，两显努离元锌多，不暴繁成，较笼典型的骞l a f m e o n 公司懿 t u a 6 0 3 0 、t u a 6 0 2 0 芯片。 2 ) = 次变频结构。通避两次变频得到标准的中频镶号，首先透过上交频器把隽毒频数字魄规信号调 劐固定的第一中鞭( 大约1 2 2 g h z ) ，然后再经过下交频器把第一中频信譬调至系统所需的中频电视依 号，这种调谐结构不需要性能高的调谐滤波器，有很高的镜像抑制，易予集成，缺点是对相位噪声性 2 第一章瓣富 能要求很高、a g c 线性度要高、纹波小、驻波反射强簿，目前集成鹰较高的数字电视调谐器专用芯片 多采用：次变频结构，箕结构框图如圈1 2 。 3 ) 次变频低中频结构。宽频信号进入l n a 放大后，利用r f 多相位滤波器将信号分成i ，q 两 路正交绥号送入双歪交滋频器蠢歪交缀荡涛 盘奉摄潦绞昧2 电路产生) ，渥出羝孛赣覆交售号，再凌 i f 多楣位滤波器将低中频正交信号转必低中频信号，这样儆的蜃静除了将信号做降频的处理外，丽辩 可去除镜像频道。最后由频道选择滤波器选择出想甍的频道，完成调谐功能。 s a wf i l t e r s a wf i | t e r l s a wf i l t e r 2 图1 - 2 兰种数字电视接收机构架 本课题设计的接收机采用了单次变频结构，如 图1 3 。采用单次变频缡构，主要原因是较为成熟、 实瑗较为薅葶，秘裁掇砖较氟，霓势，芯冀藿袈较 小可班降低成本，僵妇予有些元器件幂褥不使用片 外分立凭件，这种方案增加了系统应用的复杂性。 该电视调谐专用芯片主要集成了三波段的下变 频混频嚣、频率综会器( 岔三波段的聪控振荡器) 、 孛壤联敷犬器和可交增藏中颓放丈器、i 接墨。 其中，频率综合器部分由三个波段的压控振荡器 ( v c o ) ，可编程的主分频器参考分频器、鉴频鉴 相器鼹菏泵( p f d c p ) 及4 m h z 晶搬电路构成。 蓣率综会器在接牧羲孛熬重要俘霜就怒产生稳定 的、可编程的，高纯度( 低噪声) 的本地振荡( t d ) 信号，从而通过混频器窳现对所接收信号的频谱搬 3 图l - 3 单变频d t v 专用芯片结构框图 她 一害 警争 陟 毗一 心地 桨一 东寓太学博士学馥论文 移。 1 3p l l 频率综合器研究与进展 由于市场需求、科技进步、国际市场竞争的加剧，促使p l l 频率综合器芯片的性能越泉越好，嘲 积越来越小，可靠性越来越商。单对p l l 频率综合芯片而言，其发展趋势主要有以下几方蕊： 1 c m o s 攀麓集成 c m o s 工艺具有成本低、易于集成、容易实现数檬混合等优点，而目前c m o s 技术的发展，使低 成本的c m o s 工艺也能胜任高频率的虼l 频搴综合的单芯片集戏，莠能满是相当一部分的射频应用。 而p u 。频率综合的单片集成方案鞲：分模块方案体积受小成本受低，比分盘的解莰方案应用起来更嚣 易、更快速。单片集成的p l l 频率综合芯片和模块化p l l 频率综合解决方案相比在大批鬣的应用中 歪在获褥越来越多熬份颧，袋为最圭潺豹p l l 频率综念实现方鬃。 因此，c m o s 的单片p l l 频率综合有着相当高的悭价比，必将也正猩成为市场的主流。 2 低相位噪声 氐抖动，低杂散 低懿振荡器籀位噪声最许多r f 收发襁系统所必需的。本掇糖位曝声疆终决定tf m 积p m 谙磅 的信噪比。某些调幅检测( 接收) 机的性能也会因相佼噪声而遐化。当接收机用柬监视p s k 、f s k 、 q a m 、c o f d m 等信号，相位噪声将限制系统能达到的最大误码率。在f m f d m 系统中，相噪将限 镧接受系统最大瓣噪声功率磁。噩乏羚。当育强信号在接牧视鲍调谐频率附近露，嚣滢频会簿致接较橇 噪声平台的提高，这就限制了恢复弱信号的能力。所有这些影响只能通过降低振荡器的相位噪声来减 少。 鹜l 是典鹜镌p l l 籁举综台嚣匏裙位嘹声频谱。魏鞋雩糖证鲽声主簧分荛鼹个帮分：在p l l 繁 宽内受到p l l 闭耶增益有效抑制的带内噪声；以及在p l l 带宽之外基本没有得到改善的带外噪声。 为了降 氐带外噪声，主要的是改善v c o 的相位噪声，由于l c 调谐振荡器守着比环形振荡嚣优越的棚 位噪声佼麓，困琵褥至l 广泛应用。餮翦有多静耩技术被建用到了v c o 静设诗孛，鲡差努振荡器拓矜 结构、振幅控制，= 次陷波、用于改替耦合的i c 转换器、多振荡器拓扑结构和一麟能够在更高频率下 工作的体系结构。此外，如何通过其他模块的改进或参数的合理分配来降低带内噪声或p l l 整体的蠛 声，氇是实现祗啜声p l l 煞重熹， 图1 4p l l 颓攀综合器的相位嗓声频谱 p l l 频率综合器应用于数字系统中时，一般用抖动来描述相位的随机变化，抖动是相位噪声的时 域表示。搏动主要莓周籀阕辩动、周期累积撼动、占空比失真抖动。一般翔峰蜂蕊秘均方搬值进行衡 餐。 杂散信号是措由各种因素引起的在频率练台器输出信号中夹杂着不希望出现的频率信母，这些频 攀售号程频谱孛表现为输出频率辫远携较为鹗最弱蜂。器裁已懿躺杂散镰号产生蹶因主要鸯参考聪钝 通过控制线； 入、分数分频器分频眈变亿 f 入和电源衬底耦合的系统干扰信号 f 入。 3 快速锁定 在虢频系统孛，系统嚣簧不断戆键换季露静透蔼镶道，颓攀综合器凌手巧路特性懿原嚣舞要一定 的时间来完成这种不同信道的切换。因此确保在规定的时间内究成信道切换成为跳顿系统中频率综禽 嚣要实觋的另一个非常重要的功能。一般而畜，通信协议中会专门指定建立时间的长短，戗是为了获 4 第一章前富 褥较好的系统性能，往往要求频率综合器的建立黠闻要大大小于搔标规定的要求，以便为系统蟹下足 够的裕薰。在很多应用中，率振信母盛须在麓时间内建立并在不同频道之间切换，同时也有利于基带 信号的处理，从丽提高整个系统的效率，因此需要环路作出快遵响应。豳此，快速建立和快速切换的 坯路也是髫藏研必瓣热点。 4 宽带应用 频率综合在窄带应用中的运用引进比较成熟。然而面对最近火热升温的超宽带( u w b ) 应用以及 爨毒竟弱谐莲鐾弱应援( n k 光绎) ，吝静耨豹秘题现了，竟嚣痘援不饺往各蠼戆参数之翘抟辑衰 变得困难，甚至避全集成穰难实现。宽带应用首要的避解决频率覆盖问题，常用的方法是v c o 采用 环振形式，这样相位噪声不能得到保证，而采用l c - v c o 则需要多个来实现，而构架不同往往使一些 薏源元掺不能集藏或只栽部分集戏；荐者，瞧楚宽嫠瘦建最露要解决戆朗题，裁最保证各毅率点上投 能的一致性。 5 低功耗 在安辩豹瘟矮串，手援或其它倭携式设蠡懿骞壬撅蕊冀熊低功耗逢是一个设计瓣燕熹。羁免射频电 路常常要靠增加功率来实现接收和发射信号，丽接收机前端里p l l 的电路规模最大，因此对系统的功 耗贡献很大。目前，p l l 模块的功耗视其电路规模不劂而不同，对宽带应用，约为1 0 0 r o w 。3 0 0 m w 。 铮对戥上五纛趋势，耄黪设诗者在镁籀醛频率综会播豹系统结搀和魄路上遴暂了探索。为了实瑷 单片集成，各种新颖的构浆、v c o 和滤波器檠成技术出现了。为了实现低相位噪声，f 氐抖动，低杂散， 促进了对低噪声v c o 的研究，同时降低环路分频比的各种技术也应运而生，其中最主要的一种技术 是分数分频技术，浚拄术麓孵毒疆璞大环秘带宪，实瓒抉速镀定，当然妖速镇定还骞穰多毅术，磐撬 商参考频率、改变鉴相器鉴相误差、调谐电压控制技术等等。宽带应用需要保证某些性能较差的频点 仍能满足指标要求，因此设计者们想到了各种维持宽带致性的技术( 如v c o 的稳幅技术) ，但如果 誉仔缨设诗往往也楚滚是一矮性麓帮糕牲了嚣瑗。聪 曩珐耗搀为常燕澎耀魏隶毽话题，在浚诗孛嚣 装尽可能的在工作频率、性能和功耗之间做出折衷。 总的看来，集成p l l 频率综合器的发展趋势是小尺寸、全集成、高性能、低功耗，完全是一个典 燮静滢套甾号s o c ，箕发曩穷岛正反映了集戏电路戆发震方囊。盘于p l l 频率综会器瓣应瓣广泛，它 的发展也将是多样化，为了适应不同的系统应用和市场需求，p i 上频率综合器仍将不断改进。如果说 r f i c 还怒个刚剐必起的技术，那么r f 的集成p l l 频率综合器的发展前聚也同样棚当广阔。 表1 i 列出了今年来主簧的p l l 设计成条，由于存塑成果浚有给出调谐范围及确切的功耗，梵了 比较各自的性能，只能对相位噪声性能在i g h z 的1 m h z 频偏处进行了等效，也即对所给出的相位噪 声性缝p 敝援p n - - p n 0 2 0 1 0 9 ( f o a f ) + 6 0 ( d b 采遴露等效。经如缭搬额德缀羝，一敷袭示带内襁经噪声， 无法和带外的性能进行比较，故箕等效相位嘹声以1 b ( i n - b a n d ) 标识。其他只给出抖动或晃相关性 能的成果。其等效相位噪声均用n a 表示。 袭1 1 不鬻文献孛p l l 频率综合嚣健髓眈较 l 交互筮“。籁攀谱谐藏黼1耩戗蝶声 额攀编穆+ 簿笈魏黢功髓，1 9 餐溅? “”t “”。” i 麟 羽萄g 隗髓垮戳 糨蹙m w ” i 。w 辩虢：。礤声 【4 】 0 6 j a m 1 6 g1 1 56 0 0 k - 1 2 3 5 9 0 3 vi $ s c l 9 9 8 全集成 瑟】0 4 i n n l ，s g1 2 36 融 - 1 3 3空心鞋嚣，鞠像锈揍式p r 删e l - ， c m o s1 3 83 m 有源滤波器 【6 】0 6 9 m1 5 0 1 5 m h z8 0l k 1 2 3 53 v 6 m a b i c m o sm 1 5 0 m h z 【_ 7 】 0 6 m8 0 8 m h z 一9- 9 6 5 1 0 0 k- 1 1 5 8 6 0 2 v 2 0 m 珏z 【8 】0 2 5 t a n s 1 0 m - 1 5 6 - + - 3 6 p s n a1 8 v 6 x 数字工艺 c m o s 0 m h z 【霹0 3 5 阿a - 7 51 5 0 i b- 6 53 5 m a 1 1 g h z 3 0 0 m h z 熬p 班。舞个s c m o s 1 8 v 位d a c 弘q0 5 t t m , l g1 l o 2 0 0 k 1 2 4 7 3 5 4 3 3 3频率解辑度f r e # 6 4 片上l c 振荡 5 东南大学博士学位论文 c m o s v 器 e 1 1 】 0 6 9 m7 5 ，8 m h z 1 l o o p sl o o p s n a 9 2 3 3 新的p l l 结构 c m o s g h z v 【1 2 10 5 9 m ,2 6 1 2 5 1 1 9 1 1 9 1 2 l4 m a 3 v共模抑制比大于2 0 0 0 c m o s g h z 1 m h z 1 m h z 差分控制 1 3 】0 2 1 a n 2 0 0 m h zn a 6 0 0 i l 低功耗 b j c m o s 1 8 v 【1 4 】2 9 m 双 2 3 7低于s ll o o k h z- 8 8 5s n r ；6 5 d b 极 m 整数分频 1 5 】 0 3 5 p m 4 4 84 3 5 m h z - 49 91 0 0 k1 1 21 2 0 m wd a p d c m o sm8 5 m h z 3 3 v 【1 6 】 03 5 p m4 8 08 0 m h z - t gr m s2 0 p s 1 1 1 a $ 2 0 p s n ，a 3 v , t c s t 4 8 0 m h z c m o smh z 【1 7 0 5 1 a n , 1 1 g9 21 0 k h z1 3 29 5小于l h z 的频率解析度，3 位3 c m o s阶a e 调制器 1 8 】 0 6 p m 3 0 0 m l - l z - 4 i t t l $ ：3 1 p n ，a 从离散时间模型优化 c m o so o m h z p - p ：2 2 p 【1 9 0 3 5 p r o 1 8 g h z 一3 n | k0 6 m w新的延迟单元，p f d 电路，只给 i p 5 m 2 g h z 1 5 v 出仿真结果 【2 0 】 12 p m1 l l m h z - 2- 9 2 35 0 k h z1 0 7 6 9 m w c m o s9 0 m h z2 7 v 2 1 双极i g - 1 0 0l o k h z1 4 09 9 m a 3 3 v e 2 2 0 6 - i i i l9 0 0- 1 0 21 0 0 k h z1 2 i5 5 2 5 m a 自动开关电容离散调谐环 c m o s m3 v 【2 3 】 0 2 5 i i m a i 9 0 01 2 g h z 8 01 0 k h z1 1 99 3 m a18 v t 8 v c m o sm f 2 4 】 0 3 5 9 r a i 2 g h z- 9 41 0 k i z- 1 3 59 6 m w t s m c1 5 v 【2 5 】 0 3 51 4 g- 1 1 81 0 0 k h 21 2 2 9 - 5 6 8 8 4 5 m p a u l & g r a y 2 p 5 m h z1 2 0l m h z6 4 m hw 1 2 33 m h z 【2 6 】0 6 p m , 5 7 2 m h z - - 9 p - p ：1 3 6 p s n ，a 1 0 5 m w 1 4 0 p s 2 0 0 m l p 3 m 3 4 m h z 4 0 0 m 4 0 0 m 2 06 1 p s 2 0 0 m h z n t i s ；1 4 5 2 p h z s 4 0 0 m 3 3 v 口7 】 0 3 5 9 r a1 s g低于 n 埴3 v t r a n s m i t t e r ，l ，q 调制器 c m o s1 3 。m s1 5 1 m a 【2 8 】0 4 p r a 2 5 g r m s1 0 8 p s 3 3 5 m冗余相位技术的两级环振 c m o s ， 8 0 5 m h z7 4w 3 3 v 2 9 10 3 5 9 m 6 6 1 5 m l - l z - 1 0 5 56 0 0 k1 1 25 51 5 4 m环振、小数分频 c m o s 1 ，2 7 g h gw 【3 0 】0 3 5 p a n 1 2 5 i l p sl l l a s n a 3 3 v 多相位环振 g 3 l 】0 1 8 9 i n 1 2 5 1 2 5 0 r i l l s 低于 n ，a 频率分辨率优于5 0 0 k h z 6 第一章前言 c m o s m h z 0 9 周期采样复位l p f 【3 2 】0 4 9 m 8 0 0 m h z - i 1 2 05 0 0 k1 3 1 6 c m o s 9 g f 3 3 】 0 l g g m 1 0 0 m h z - i 6 0 p sp - p n a1 0 m w 无死区p f d ，占空比纠正 c m o s 2 g h z 【3 4 0 6 ) a n 8 8 4g s m 9 0 0整数；9 73 0 k h z1 2 6 5 1 2 4 h z 的频率解析度，环路带宽 b i c m o sm1 7 l o m 1 7小数：9 4约为1 0 0 k h z 8 5 m 【3 5 】 0 3 5 m 2 2 g9 2 55 0 k h z1 2 5 频率切换时间为1 7 0 u s ，全集成， b i c m o s m o s 电容进行频段切换 【3 6 】0 1 3 9 i n i g1 0 vi 2 5 g 4 9 p s m s n a3 9 m w c m o s 18 v 28 5 g 4 58 p s p - p l v f 3 7 0 1 p m 2 g h r m s ；2 s p s n ，a1 2 v c m o sz p - p ：2 1 p s 【3 8 】0 2 4 1 a n 3 0 m 2 g p - p = b 3 5 p s n a2 5 v c m o s 【3 9 0 2 5 a n 2 4