（电路与系统专业论文）频率综合器中的分频器电路设计.pdf

摘要 摘要 随着无线通信技术的迅速发展，无线局域n ( w l a n ) 技术也在不断发展，各种无线局域网标准不 断被提出，总的趋势是速率越来越高，安全性越来越好，服务质量越来越有保证。与此相对应，与 标准相对应的w l a n 收发机的设计也成为研究的热点。在w l a n8 0 2 1 1 a 标准的射频前端电路中， 基于锁相环( p h a s el o c k e dl o o p ，p l u 的频率综合器是其非常重要的一个组成部分，它可以产生大量 与基准参考频率源具有同样高精度和稳定度的各种频率信号，作为收发机的本振信号。因为现代通 信系统要求多信道，收发机需要多种频率的本振信号，这对频率综合系统的设计提出了各种挑战。 现代通信技术的飞速发展，使得对频率综合器的要求越来越高。高精度、高灵敏度、低噪声、 低成本和高适应性成为现代频率综合器设计中的基本要求。而采用c m o s 工艺设计实现的频率综合 器的低功耗特性和良好的兼容性正好满足了上述要求。 本论文在分析介绍了基于锁相环的频率综合器的基本原理和几种常见的实现射频频率综合基本 方法的基础上，完成了一种简单的应用于w l a n8 0 2 1l a 标准的频率综合方案设计，并完成了相应 分频器电路的具体设计：结合本设计中对本振信号的具体要求，改进了传统的s c f l 锁存器的结构， 用于实现高速分频器电路；设计了一种新型的、集成了或门的s c f l 锁存器结构，减小了双模分频 器的延时，提高了电路的工作速度；还提出了一种新型的可编程分频器实现结构，减小了电路的规 模，提高了集成度。 全电路采用了全定制设计方法实现，在完成版图设计的基础上，通过m p w ( m u l t i p r o j e c tw a f e r ) 计划采用中芯国际o 1 8 p m c m o s 工艺实现制造。测试结果显示：分频器电路能达到频率综合要求， 最高工作频率为4 3 5 g h z ，输出信号在1 m h z 频率偏移处相位噪声小于1 2 7 d b e h z ，核心电路功耗 小于8 m w 。 文中还针对频率综合器偏置电压的要求，在分析了带隙基准源的原理的基础上，选择并设计了 一种结构简单但能够满足应用要求的低电压带隙基准电压源电路，并设计了一种新型补偿电路结构。 仿真显示：基准源可以在p 1 5 v 电压范围内输出任意值的偏置电压，在0 - - 1 0 0 c 的温度变化范围内 输出电压变化小于0 1 5 m v ：在电源电压从1 6 v 变化到2 0 v 的过程中，输出电压变化小于l m v 。 关键词：无线局域网、频率综合器、s c f l 锁存器、分频器、带隙基准电压源 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t hm eh i g h s p e e dd e v e l o p m e n to fr a d i oc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e s ，t h el o c a la r e aw i r e l e s s n e t w o r k ( w e a n ) t e c h n o l o g yd e v e l o p e dr a p i d l ya l s o ，m a n yk i n d so f s t a n d a r df o rw e a nw e r ee s t a b l i s h e d h i g h e rs p e e d ，b e t t e rs e c u r i t yp e r f o r m a n c ea n dm o r ea s s u r e ds e r v i c eq u a l i t ya r et h et o t a lt e n d e n c y a tt h e s a m et i m e ，t h ed e s i g no ft h et r a n s c e i v e rf o rw e a nb e c o m e sm o r ea n dm o r ep o p u l a r i nt h ef r o n t - e n d c i r c u i tf o rw e a n8 0 2 1l as t a n d a r d ，t h ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e rb a s e do np h a s e l o c k e dl o o p ( p l l ) p l a y sa v i t a lp a r t i tc a np r o v i d ef o rl os i g n a l si nt h et r a n s c e i v e rv a r i o u sf r e q u e n c i e s ，w h i c hh a v eh i g h a c c u r a c y a n dh i g h - s t a b i l i z a t i o na st h er e f e r e n c e f r e q u e n c y s i n c et h em o d e mc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s a r e m u l t i c h a n n e l s ，t h et r a n s c e i v e r sn e e dm u l t i - c h a n n e ll os i g n a l s ，i ti sm o r ec h a l l e n g e df o r t h ed e s i g no ft h e f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r 加t h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，t h er e q u i r e m e n t so fh i g h - a c c u r a c y ， l l i g h s e n s i t i v i t y ，l o w - n o i s e ，l o w - c o s ta n dh i g h a d j i u s t a b i l i t yf o rf r e q u e n c ys y n t h e s i z e rb e c o m em o r ea n d m o r ei m p o r t a n t t h ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e rd e s i g n e di nc m o st e c h n o l o g i e sw h i c hh a sl o w - p o w e ra n d h i g h - c o m p a t i b i l i t yc a l lm e e tt h er e q u i r e m e n t sa b o v e a f t e ra n a l y s et h ep r i n c i p l eo ft h ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e rw h i c hi sb a s e do nap l l ，a n di n l r o d u c e s e v e r a lk i n d so fi m p l e m e n tm e t h o do ft h ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e r ，as i m p l ea p p r o a c ho ft h ef r e q u e n c y s y n t h e s i z e ru s e di n 、轧a n8 0 2 1 l as t a n d a r dt r a n s c e i v e ri sa d v a n c e di nt h i st h e s i s t h ec i r c u i td e s i g no f t h e r e l a t e df r e q u e n c yd i v i d e rw a ss t u d i e di nt h i st h e s i sa l s o c o n s i d e r i n gw i t ht h er e q u i r e m e n to fa nl os i g n a l ， t h et r a d i t i o n a ls o u r c ec o u p l e dl o g i c ( s c f l ) l a t c h 矗) rh i g h - s p e e df r e q u e n c yd i v i d e rw 觞a m e n d e d ，a n da n e wk i n do fs c f ll a t c hw i t ho r g a t ei n t e g r a t e dw a sd e s i g n e d t h es c f ll a t c hr e d u c e st h et i m ed e l a yi n t h ep r e s c a l e r ，i n c r e a s e st h ei n t e g r a t i o nl e v e l i na d d i t i o n , an e wt y p eo fp r o g r a m m a b l ed i v i d e rs t r u c t u r ew a s a l s oa d v a n c e d i tc a l lr e d u c et h es c a l ea n dp r o m o t et h ei n t e g r a t i o nl e v e l a l lc i r c u i t sw a sd e s i g n e di nf u l l c u s t o md e s i g nm e t h o d o l o g y a f t e rf i n i s h i n gt h el a y o u td e s i g n , t h ei c w a ss e n dt os m i ct of a b r i c a t e di nt h eo i8 t a mc m o sp r o c e s st h r o u g ht h em u l t i p r o j e c tw a f e rp r o j e c t t h e t e s tr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ef r e q u e n c yd i v i d e rc a np e r f e c t l yr e a l i z et h ef r e q u e n c ys y n t h e s i z ea s s i g n m e n t w i t hh i g hq u a l i t yo u t p u ts i g n a l t h ep h a s en o i s ei sl e s st h a n 一1 2 7 d b c h za t1 - m h zf r e q u e n c yo f f s e t ；t h e h i g h e s tf r e q u e n c yi s4 3 5 g h z , a n dt h ep o w e rc o n s u m p t i o ni sl e s st h a n8 m w i na d d i t i o n , as i m p l ec u r r e n tm o d eb a n d g a pv o l t a g er e f e r e n c ec i r c u i tw a sd e s i g n e d a f t e ra n a l y s i n gt h e p r i n c i p l eo ft h eb a n d g a pa n dt h eb i a sv o l t a g er e q u i r e m e n ti nt h ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e r , an e wk i n do fh i g h o r d e rt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nc i r c u i ts t r u c t u r ew a sp r o p o s e d t h ep o s t - s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e dt h a t t h eo u t p u to ft h ev o l t a g er e f e r e n c ec a l lb ea d j u s t e df r o m0t o1 5 v a n dt h ec h a n g ei sl e s st h a no 。15m v w h e nt h et e m p e r a t u r ec h a n g e df r o m0t o10 0 。c ：w h e nt h es u p p l yv o l t a g ec h a n g e df r o m1 6t o2 0 v , t h e o u t p u tv o l t a g ec h a n g e1 e s st h a n1m v k e y w o r d s ：l o c a la r e aw i r e l e s sn e t w o r k ( ，a n ) ，f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r , s o u r c ec o u p l e dl o g i c ( s c f l ) l a t c h , f r e q u e n c yd i v i d e r , b a n d g a pv o l t a g e i 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： 盔连拯。 日期： 邋垒耋盥f 垒旦 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：塞始。 导师签名： 日期：趟，三：f g 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 第l 章绪论 无线通信是目前通信领域最热门的通信方式，它使人们真正有可能实现随时随地获取信息、保 持数据和语音的通信等需求。从蜂窝电话、无线互联网接入蟊j g p s 和r f i d 等，这些都深刻的影响到 人们的日常生活和工作方式。无线通信的迅速发展，为射频集成电路带来了巨大的市场需求，也带 来了巨大的设计挑战。由于硅双极性工艺( b i p o l a rj u n c t i o nt r a n s i s t o r ，b i t ) 、砷化镓( g a a s ) 工 艺和锗硅( s i g e ) 工艺在射频集成电路设计方面具有较大的优势，早期的射频集成电路( r a d i o f r e q u e n c yi n t e r g r a t e dc i r c u i t ，r f i c ) 大多采用这些工艺来实现。但是近十几年来，随着c m o s 工艺 的迅速发展，m o s 场效应晶体管的特征尺寸不断减小，截止频率已经达到并超过了i o o g h z ，这就使 得采用c m o s 工艺实现射频集成电路成为了可能。同时，随着c m o s i 艺产能的迅速提高，其成本不 断的降低，且c m o s 工艺还拥有集成度高、功耗低等诸多优势，这吸引了越来越多的射频设计师和 集成电路设计公司选用c m o s 工艺来实现可应用于无线通信的射频集成电路。 而随着个人数据通信的发展，功能强大的便携式数据终端以及多媒体终端得到了广泛的应用。 对高速率通讯的需求促进了无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ，w l a n ) 的迅猛发展。在互 联网迅猛发展的今天，可以认为无线局域网将成为未来的重要通信网络，在某些领域将最终替代传 统的有线网络。随着无线通信技术的发展和对无线局域网通信速率要求的不断提高，无线局域网的 设计标准也在不断提高：总的趋势是数据速率越来越高，安全性越来越好，服务质量越来越有保证。 1 2 无线局域网简介 现代无线局域网的概念可以追溯到上个世纪七十年代，i b m 实验室的研究人员报告说，他们的 红外线技术可以用于室内无线网络。特别是到了1 9 8 0 年，由于i s m ( i n d u s t r i a ls c i e n t i f i ca n dm e d i c a l ： 工业、科研和医疗) 波段被美国联邦通信委员会f c c ( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o nc o m m i s s i o n ) 分配出 来，w l a n 进入了新的发展阶段。由于新的技术、新的电路结构以及先进的电路工艺的不断涌现， 最终导致了第一代商用的w l a n 产品在1 9 9 0 年左右出现。自此以后，对w l a n 系统的需求一直在 稳固增长：在工业医疗界，w l a n 系统不仅方便了便携式终端的无线连接，还提供医疗监测设备的 无线互联，同时，提供快速和移动的连接到配药和个人卫生保健数据库的能力；在工厂楼宇中，w l a n 系统快速接入数据库，为运输车辆提供实时的网络接入；在教学中，同样可以享受w l a n 系统提供 的远程教育。 到目前为止，w l a n 系统最大的市场是家庭和小型办公区域。为了扩大实用性，w l a n 系统间 应该协同工作，这样，协同工作能力需要一个普遍可以接受的标准。从无线局域网标准的支持者及 被采用的地域范围来看，无线局域网可以分为三个阵营：i e e e 的8 0 2 1 l 标准、欧洲的h i p e r l a ni i i 标准和日本m m a c 系列标准。 由于本文设计的电路是基于i e e e8 0 2 1 1 a 标准，因此，以下重点介绍这一标准，并且给出了常 用的w i a n 收发机结构。 东南大学硕士毕业论文 1 2 1 无线局域网i e e e8 0 2 1 l a 标准 第一代无线局域网标准i e e e8 0 2 1 1 只有l m h z s 的传输速率，无法替代速率达1 0 m h z s 的有线 网络。直至j j l 9 9 7 年，美国联邦通信委员会开放u n 频段使无线局域网的应用获得3 0 0 m h z 的可用频谱 宽度，无线局域网的传输速率因而能够达到几十m h z s 。 f 1 1 i e e e 8 0 2 1i a t ”标准采用频分复用技术把3 0 0 m h z 的频率范围划分为低、中、高三个独立频段( 如 图1 1 ) 。每个频段包含间隔2 0 m h z 的4 个信道，每个信道包含5 2 个间隔的子载波。最大输出功率低 频段为5 0 m w ，中频段为2 5 0 m w ，高频段则为1 w 。 u - r z l i 申低凝爱：8c l i 赫i n2 0 0m 1 4 2 1 2 0m h z 殛燃i n 窖 5 1 5 0s1 8 05 2 0 05 2 2 05 2 4 0 5 2 6 05 2 8 05 3 0 05 3 2 05 3 5 0 u 攫高叛段：4 c 豳i n l m l b ，2 ：o 加 i z s 刚吨 _ 一、 5 7 2 55 7 4 55 7 6 5 5 7 8 55 8 0 55 8 2 5 图1 1i e e e8 0 2 1 l a 标准信道划分1 2 】 8 0 2 1l a 标准采用正交频分复用技术( o f d m ) ，采用的调制方式有二进位相移键控( b p s k ) ， 正交相移键控( q p s k ) ，1 6 j e 交调幅和6 4 正交调幅，相应的传输速率如表1 1 所示。 表1 1i e e e8 0 2 1 l a 标准中传输速率和调制方式的关系 速率( m b s )调制方式 6b p s k 9b p s k 1 2 q p s k 1 8 q p s k 2 4 1 6 - q a m 3 6 1 6 - q a m 4 8 6 4 一q a m 5 4 6 4 一q a m 2 第1 章绪论 i e e e8 0 2 1 1 a 标准对灵敏度的要求归纳于表1 2 中，它依赖于信号速率、调制方式和编码技术。 为了达到所有不同速率下对灵敏度的要求，8 0 2 11 a 标准建议噪声系数为1 0 d b ，其中包括了5 d b 的 实现裕量。 表1 2i e e e8 0 2 1 l a 标准中灵敏度的要求 速率( m b s )天敏度( d b m ) 68 2 98 1 1 27 9 1 8 7 7 2 4 7 4 3 67 0 4 86 6 5 4 6 5 1 2 2 无线局域网收发机结构 图1 2 是一个典型的无线收发机结构框图。在发送机中，输入的数据被载波信号e o s ( 0 0 0 调制， 通过无线媒质发送出去。在典型的超外差接收机中，接收到的信号首先经过低噪声放大器l n a ( l o w n o i s ea m p l i f i e r ) 放大，然后与本振信号c o s ( 灿f ) 混频，下变频到一个较低的中频。最终，解调器将 接收到的信息监测出来，产生输出数据。 m | 。叫到| ；叫习弋碰三r i l 2 2 1 接收机系统的实现网 由于传统的超外差式接收机优越的选择性和高的灵敏度，无线接收机通常采用超外差结构。图 1 3 是典型的超外差结构接收机结构图，在这种结构中，中频的选择是一个关键的因素，需要在诸多 性能指标中间折中考虑来决定。 3 东南大学硕士毕业论文 1 2 2 2 发射机实现嗍 图1 3 超外差接收机结构 t - 0 2 m 射频发射机执行调制、上变频和功率放大等功能，因此，在发射机结构中，注入噪声、干扰抑 制和波段选择性能等要求远没有接收机严格，也不像接收机那样有许多实现结构，主要有零中频和 二次变频两种实现结构，如图1 4 所示是二次变频发射机的结构图。 l 0 1 冉fl 晒 图1 4 二次变频发射机结构 在发射机中，分两步将基带信号上变频，这样功率放大器的输出信号频率远离本地振荡器频率， 可以降低干扰。它的优势在于正交调制在较低的频率上，i 和q 正交信号匹配性能好：难点在于二次 上变频后的通带滤波器必须对不需要的边带进行抑制，通常这种要求高达5 0 - 6 0 d b ，使得带通滤波 器的设计变得困难。 最后，在收发机结构中，应该仔细考虑具体实现性能的要求。由于收发机需要精确的本振信号 来准确实现频率变换，因此，能够产生准确的本振信号是收发机设计中的一个难点。本文就致力于 产生这些本振信号，因此在接下来的章节中，将首先讨论产生射频本振信号的频率综合器的理论基 础，再决定频率综合的方式和具体的电路结构。 1 3 电路设计的工艺选择阎 目前集成电路制造中的产品工艺主要分为双极性硅( b i p o l a r ) 、砷化镓( g a a s ) 等化合物半导 体工艺c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a l o x i d e - s i l i c o nf i e l d e f f e c tt r a n s i s t o r s ) i 艺。与前两种工艺相 比，c m o s 工艺通常具有噪声大，速率低等缺点。因此，高速模拟集成电路通常采用g a a sm e s f e t ， i n a l a s i n g a a s i n ph e m t ，i n ph b t ，a i g a a s g a a sh b t 等化合物半导体工艺和双极性硅工艺实现。 早期的m o s i 艺只有p 型或者n 型m o s 晶体管。大约在上世纪八十年代出现了c m o s 工艺，但此 时其应用还远不及双极性硅和化合物半导体工艺广泛。但是c m o s 晶体管只在开关转换期间才消耗 功率，被运用到数字电路中后极大的降低了功耗。而且，降低c m o s 工艺的特征尺寸也很容易，等 比例缩小原理使数字电路系统的实现更方便、更简单，成本也更低。由于c m o s 特征尺寸的不断缩 4 第l 章绪论 小，特征频率也不断提高，短短几年间，c m o s 工艺就已经成为数字集成电路的主流工艺。后来， 用c m o s 工艺实现的射频集成电路与采用同样工艺的基带电路集成在同一芯片上，实现了片上系统 ( s o c ) ，大大促进了集成电路的发展。 随着c m o s i 艺特征尺寸的不断减小，c m o s i 艺的特征频率斤不断提高，对应于0 3 5 m 、0 2 5 p r o 和0 1 8 p m 的c m o s i 艺，特征频率磊分别达至1 1 2 g h z 、2 0 g h z 和5 0 g h z 上下，已经可以与双极性硅的 速度相媲美，而且c m o s i 艺的低功耗和高集成度使它更具优势。 此外，工艺的诸多改进也提高了c m o s 电路的性能：( 1 ) 提高了有源器件的隔离度；( 2 ) 降 低了多晶硅和n 型、p 型有源区的电阻率，降低了互联线电阻；( 3 ) 提高了无源器件的品质因数。 同时，c m o s 工艺相对容易获得，通过多项目晶圆计划m p w ( m u l t i p r o j e c t - w a f e r ) ，各研究机构，高 校、科研院所和中小型公司可以获得价格低廉的工艺流片服务。 本设计中采用了s m i c ( 中芯国际) 0 1 8 p r oc m o s t 艺设计实现了无线局域网中频率综合器中分 频器电路和低温度系数带息基准电压源电路，该工艺的特征频率约为5 0 g h z 。 1 4 电路设计流程 本文采用了如图1 5 所示的设计流程进行了课题设计研究。首先，收集并研读了大量的相关文献 资料，如i e e e8 0 2 11 a 标准、i e e e i e e 相关论文：根据w l a n 收发机的结构选择了频率综合器的系统 结构和频率综合方案；接下来采用h s p i c e 软件进行电路模块的设计和仿真：然后，再采用c a d e n c e 设计软件进行仿真和版图设计，并将版图转化为标准的g d s 格式文件送交工艺厂商。在这期间，确 定了芯片的测试方案，在芯片送回来之后，进行了仔细的测试和分析工作，并提出了改进方法。 图1 5 电路设计流程 5 东南大学硕士毕业论文 1 5 本文主要内容和结构安排 本文的主要目标是完成用于5 g h zw l a n 无线局域网系统的频率综合方案和集成电路的设计及 其低温度系数带隙基准电压源电路设计。 第2 章将分析基于锁相环p l l ( p h a s el o c k e dl o o p ) 的频率综合器的模型及其实现方式，重点介 绍了常用的电荷泵锁相环c p p l l 的线性模型及其瞬态响应，给出各种频率综合原理及实现结构，分 析各种实现结构的优略。 应用于本设计的频率综合器中的低温度系数带隙基准电压源电路的设计实现将在第3 章中讨论， 这一章中首先介绍传统的阶补偿带隙基准的实现原理，讨论其优缺点；接着讨论并设计一种能输 出任意电压值的低电压带隙基准电压源电路，给出电路的结构、版图设计和仿真结果：后仿真结果 显示带隙的温度系数小于2 p p m c 。最后研究讨论实现更小温度系数的各种高阶温度补偿技术。 第4 章确定本设计中所使用的频率综合方案以及具体的实现电路形式：设计一种集成了或门的新 型s c f l 锁存器结构，减小了双模分频器的延时，提高了电路的工作速度；还提出一种新型的可编程 分频器实现结构，减小电路的规模，提高了集成度。接着对电路进行详细的仿真和调试，以确定电 路的一些具体性能参数。整个电路采用全定制方法实现，并采用m o d e l s i m 软件对电路的功能进行了 仿真，这有利于对电路的性能进行优化。最后给出电路的版图和芯片照片，并对芯片的测试结果进 行深入探讨，提出进一步的改进措施。 最后一章对所做工作进行总结，并对电路设计提出改进。 6 第2 章基于锁相环的频率综合器电路 第2 章基于锁相环的频率综合器电路 2 1 频率综合器简介 无线通信系统的发射部分需要一个稳定的频率源将基带信号调制到发射频率，接收部分也同样 需要一个频率源将收到的射频信号解调为中频或基带信号。频率综合器就是产生这些频率源的装置， 它利用单个或多个稳定、精确的本振频率源产生系统需要的各种频率信号。 频率综合器有三种常用实现方式：直接频率综合、锁相环式频率综合和数字频率综合p 7 1 。 直接频率综合又分为非相干和相干两种形式，非相干频率综合是把多个非相干频率源混频后得 到需要的多个频率并加以选择：相干频率综合就是通过分频、倍频和混频从单个频率源得到多个频 率后选择输出。直接频率综合器输出频率的纯度与稳定度直接由固定频率源( 如晶体振荡器) 的质 量决定，它的优点是结构简单可靠，频率跳变快。但缺点是系统成本高，不易集成且不同频率谐波 不易滤除，输出频率杂散较大。 锁相环式频率综合器通过反馈环路使输出频率的分频分量跟踪频率源从而实现倍频的功能，由 于不是直接由输入信号经过变频得到输出故又称作间接频率综合。设计锁相环频率合成器时可以通 过调整环路滤波器的带宽来减小本振频率源对输出频率的影响，减小输出频率的杂散提高频谱纯度 和稳定性。同时锁相环易于集成、体积小、成本低，在射频通信系统中被广泛采用。锁相环频率综 合器的缺点是存在环路失锁问题，且进行大的频率跳变时要经过失锁捕获一再锁定的过程，响应较慢。 数字频率综合技术利用存储的数字采样序列插值还原成连续信号输出，具有反应快。频率分辨 率小和灵活的特点。缺点是由于存储器容量有限导致输出频率不高，插值还原得到的波形杂散大。 无线局域网系统的发展，对频率综合器提出了几个苛刻的要求：( 1 ) 频率综合器输出频率必须 有很高的绝对精度。( 2 ) 信道数量增加、信道间距变小要求提高频率综合器的频率分辨率。( 3 ) 信道间距的减小对频率综合器输出信号的噪声边带控制和杂散抑制提出了更高要求。( 4 ) 射频系统 的快速信道切换能力来自频率综合器输出的快速跳频能力，即要求锁相环的锁定时间尽可能短。 由于锁相环频率综合器具有输出信号频率高、相位噪声低、杂散小的优点，本项目中使用锁相 环型频率综合器实现频率综合任务。 2 2 锁相环电路 2 2 1 锁相环的基本结构 锁相环属于相位反馈系统。图2 1 是基本锁相环框图，环路由鉴相器( p d ) 、低通滤波器( l p f ) 和压控振荡器( v c o ) 组成。鉴相器用于比较两个输入信号之间的相位差，输出与相位差成正比的 电压信号。压控振荡器的输出信号频率的变化量与其输入控制电压成正比。环路中的滤波器和压 控振荡器形成积分环节，故环路状态不仅取决于此时的输入也与过去的状态有关。环路滤波器的结 构决定了锁相环的阶数和类型4 1 。 7 东南大学硕士毕业论文 图2 1 基本的锁相环实现框图 实际应用中的锁相环的状态大致分为跟踪状态和捕获状态两种。在跟踪状态下压控振荡器输出 信号频率和参考信号频率相同，两路信号相位差较小，且输出频率跟踪输入频率的变化。当输入参 考频率固定时，跟踪状态变为锁定状态m 。环路捕获状态是指能够达到锁定但还未锁定的状态。从 环路失锁到频率锁定有一个频率捕获的过程。在环路捕获状态下，鉴相器表现出明显的非线性，所 以频率捕获过程不能完全用线性时不变模型来分析，但工程中可以用线性近似方法来分析2 卅。 2 2 2 模拟锁相环的基本模型豫是卅 模拟锁相环和数字锁相环的鉴相器采用不同的方式实现。现在分析鉴相器用模拟乘法器实现的 模拟锁相环电路。乘法器的输出是其两路输入电压信号的乘积： = 。 ( 2 - 1 ) 若鉴相器的输入是两路正弦信号： = s i n ( c o , a t + )u o t n = s i n ( c o o , t + 氏。) ，当c a l f = 时，不考虑高次谐波时 含有低频分量墅笔型。 这表明当其后接有低通滤波器时乘法器型鉴相器是一个正弦特性的鉴相器，其输出电压是输入 信号相位差的正弦函数( 如图2 - 2 ) 。定义环路相位差包= - a o 眦，在晓很小时，鉴相器输出低 频分量与相位差晓成正比。通过低通滤波器滤除高频分量后送给压控振荡器( v c o ) 。正弦鉴相器 传递函数为： ( f ) = 砗ds i n o o ( t ) 】 ( 2 - 2 ) ( s ) = 再k p d ( 2 - 3 ) 为鉴相灵敏度，单位为。 “融、 j 形八 瓢2 0 e 。、 图2 2 正弦鉴相器鉴相特性 8 第2 章基于锁相环的频率综合器电路 压控振荡器将输入控制电压的变化转化成输出信号的频率变化，其输出信号的频率与其自由振 荡频率的差值与控制电压成正比： 。= 锄+ 凰c o ( 2 - 4 ) 瓯c 0 是压控灵敏度。 而输出信号的相位是输出信号频率( 与输入电压成正比) 的积分。压控振荡器的传递函数可以 用风c o ( s ) 表示： - v c o ( s ) ；k v c o ( 2 - 5 ) 低通滤波器用h l p f ( s ) 表示。 2 2 3 锁相环的线形模型【1 0 l 我们来为锁相环构造一个简单的线性化模型，为简单起见，假设低通滤波器是一阶的。鉴相器 的输出除了高阶分量t 还有一个直流分量等于( 一) 。因为高阶分量被l p f 抑制掉了，所以可 以将鉴相器模型简化成一个减法器，其输出被“放大”了群d 倍。如图2 3 所示，l p f 的传输函数为 1矿 l ，其中劬僻是3 d b 带宽，v c o 良j 传输函数为塑，整个锁相环由相位减法器、l p f 矛d v c o l + 上 j 攻k 构成。假设i n 和西砌分别表示输入输出波形的相位。 v c 0 继 图2 3i 型锁相环线性模型 开环传递函数为： 酬删2 哿l2 壶挚 ( 2 - 6 ) q 胛 上式在j = 一q 胛处和j = o 处有两个极点。由于反馈系数是1 ，所以环路增益等于日( s ) l 。p c n 而且，因为环路增益在原点处只有一个极点，故称该系统为i 型。 因为在原点处有个极点，所以当5 趋近于零时，环路增益趋近于无穷大，因此，在s 趋近于零 时，环路可以保证仉n 的变化恰好等于m 的变化。这说明了锁相环的两个特性：首先，如果剩余 相位变化非常缓慢，那么输出剩余相位跟踪其变化：其次，如果i 。中的瞬变已经消失了，那么叫 的变化量精确的等于i n 。 9 东南大学硕士毕业论文 写出闭环传输函数为： 酬：丁鱼虹一 ( 2 - 7 ) 二一+ s + k 倒l p f 为简单起见，用1 4 ( s ) 表示h 0 ) i 。正如所料，如果j 趋近于零，因为环路增益无穷大，日( s ) 、_ c l o a 趋近于1 。 为便于观察，将分母写成控制理论中常用的形式，即s 2 + 2 ，x c o s + c o 2 ，其中孝是阻尼系数， 称为固有频率。也就是： 刖2 再瓣( o n 2 ( 2 - 8 ) 瓯= & b f ，p d 氐c o ( 2 - 9 ) 孝= 吉 ( 2 1 0 ) 墨。2 = 一善哦( 孝2 1 ) 瓯2 = ( 一善善2 - o o j ( 2 1 1 ) 因此，如果孝 l ，两个极点都是实数，系统是过阻尼的，那么瞬态响应包括了两个指数，它们 的时间常数分别为1 居l 和l s 2 。另一方面，如果孝 l ，则两个极点都是复数，且对输入频率阶跃 = a a r u ( t ) 的响应为： 一卜 c o s ( 纯厨，+ 南蜘c 哦厨，卜2 也， 2 | 卜南p 嘲n ( 嚷厕卯) j 删( ， ( 2 - 1 3 ) 其中是指输出频率的变化量，且矽= a r c s i n 、1 6 ：2 。因此，如图2 4 所示，阶跃响应中包含 一个正弦成分，其频率为q 1 一善2 ，其衰减的时间常数为( 舰) 一。 i n o m f n t f 图2 4 锁相环对频率阶跃的欠阻尼响应 l o 第2 章基于锁相环的频率综合器电路 锁相环的响应速度对于大多数应用来说是非常重要的，式( 2 1 3 ) 表示指数衰减项决定了输出 达到其最终值的速度，这意味着触必须最大。对于i 型锁相环有： 1 触= 去 ( 2 - 1 4 ) 此结果显示了在稳定速度和v c o 的控制线上的电压波动之间的关键的折中关系：政i p f 越小，鉴 相器输出的高频成分被抑制得越厉害，但是稳定时间常数越长。 除了乘积甄之外，善本身的值也非常重要。图2 5 显示了魄为常数时不同的善值得几种情况， 从图中可以得知，对于f 0 5 ，阶跃响应表现出非常剧烈的减幅振荡。考虑到锁相环参数随工艺和 温度的变化，孝通常选择大于拿，或者甚至为1 ，以避免过多的振荡。 = 0 2 图2 5 不同孝值的二阶系统欠阻尼响应 孝值的选择也必须与其它一些参数折中考虑。首先，式( 2 - 1 0 ) 意味着，当通过减小岔b f 使控 制电压的波动最小时，稳定性也随之降低了；其次，相位误差与善都与砗d 羁成反比，因此要降 低相位误差就不可避免的使系统变得不稳定。 总之，i 型锁相环要在稳定速度、控制电压波动、相位误差和稳定性之间折中考虑。 2 2 4 电荷泵锁相环1 4 1 0 1 1 i 虽然i 型锁相环被广泛的用分立元件实现，但其缺点却常阻碍它在高性能集成电路中的使用。除 了需要在善、劬外和相位误差之间进行折中外，i 型锁相环还有另外一个严重缺点，即有限的捕获范 围。环路的捕获范围与吼p f 是同一数量级的，也就是说：只有在和之间的差值比f 略小 时，环路才能锁定。如果为了减小控制电压的波纹而减小劬，的值，那么锁定捕获范围就会减小； 即使输入频率的值控制的非常准确，通常也需要较大的锁定范围，因为v c o 的中心频率随工艺和温 度的变化范围非常大。 为了改善捕获问题，现代的锁相环除了相位检测外还有频率检测，称为辅助捕获，如图2 6 所示。 东南大学硕士毕业论文 y l n ( 0 1 n 图2 6 为提高捕获范围增加频率检测 其思想是通过鉴频器比较和，产生一个与皑。一成正比的直流电压分量圪p f 2 ，并且 将此电压加到负反馈环路的v c o 上。开始时，鉴频器驱使红k 的值接近q 。，而此时鉴相器不工作， 当l 皑。一i 足够小时，相位锁定环开始工作，获得锁定。 2 2 4 1 鉴频鉴相器和电荷泵 对于周期性的信号，可能设计出这样一个电路，该电路既能检测相位差又能检测频率差，这样 就可以把图2 6 的两个反馈回路合并。这样的电路称为鉴频鉴相器( p f d ) ，图2 7 画出了其原理。电 路使用时序逻辑建立三个状态并且响应两个输入的上升沿( 下降沿) ：如果在初始状态下， q a = 姥= 0 ，那么在a 上的上升变化使q a = l ，q b = o 。电路保持这个状态一直到b 变为高电平，此 时幺变为o ；对于b 的情况与之相似。 在图2 7 ( a ) 中，两个输入频率相等，但是a 相位超前于b ，输出q a 不断产生宽度与纵一九成 正比的脉冲，而q b 保持为零。在图2 7 ( b ) 中，a 的频率比b 高，所以q a 有脉冲输出而q b 没有。 因此，q a 和q b 的直流分量提供了纵一九或吼一的相关信息。所以，q a 和q b 的输出脉冲分别 被称为上拉和下拉脉冲。 a r 厂 厂 厂 8 r n 厂 n 口 hn 订n 0 s f ( a ) 吼 c l b _ r n 几几几 8 几厂 r r q 、rnr 盯 t t b ) 图2 7 p f d 的工作原理 1 2 第2 章基于锁相环的频率综合器电路 鉴频鉴相器有各种实现形式，图2 8 是一个简单的实现电路，它由两个边沿触发、带复位的d 触 发器构成，触发器的输入端都接逻辑l 。输入基b a 和b 作为触发器的时钟。如果级和g 的起始值都 为。且a 由低变高，则q a 输出高电平，接着如果b 也从低到高，则q b 也输出高电平，与门使两个触 发器复位。 l 几厂1 几几 口nnn 几 吼nf l兀n 口8 llli 图2 8p f d 电路的实现 电荷泵由两个带开关的电流源组成，插入在p f d 和l p f 之间，根据两个输入逻辑信号来决定：是 把电荷泵入到环路滤波器还是将电荷从环路滤波器中泵出。图2 9 所示是一个p f d 驱动的电荷泵，它 驱动一个电容。这个电路有三种状态：如果q a = 姥= o ，那么开关s 和是都断开- 保持不变： 如果么为高而绕为低，则厶对c p 充电；相反