（电路与系统专业论文）dvbh数字电视调谐器的ΔΣ分数频率合成器的设计.pdf

摘要 频率合成器广泛应用于通信工程，消费电子产品等领域，随着通 信技术和集成电路工艺的进步以及对芯片低功耗，小尺寸，全集成和 高性能的要求，频率合成器已经由分立元件向集成电路，由整数型向 分数型发展。本文以应用于d v b h 移动数字电视中的分数频率合 成器为研究对象，从系统和电路级对频率合成器的环路和噪声优化方 面的设计做了深入的研究。 首先，在系统级，根据d v b - h 标准，推导了频率合成器的系统指 标，分析了频率合成器的体系结构和选择a 分数频率合成器的设计 依据。 其次，通过对系统的相位裕度，环路带宽，零极点频率等环路参数 之间关系的分析，提出了一种四阶无源环路滤波器优化设计的估算方 法，对整个频率合成器建立了行为级模型并进行仿真验证。接着对 调制器和环路的噪声特性进行了详细的分析计算，指出了噪声的优 化必须在抑制a 量化噪声和带内噪声之间进行折衷以达到所需要 的指标。 然后在电路级，对环形压控振荡器和l c 压控振荡器电路进行了 设计和比较，最终选择l c v c o 用于设计的频率合成器。同时指出了 在没有功耗限制的情况下，环形v c o 也可以达到很好的相位噪声指 标。此外还对鉴频鉴相器，电荷泵和调制器也进行了分析。 最后，采用t s m c0 1 8 u mc m o s 工艺对整个频率合成器进行了流 片和测试。测试结果表明，测量的相位噪声和计算仿真的相噪声吻合， 采用整数分频可以满足d v b - h 的相噪声指标，分数分频在低频时满足 d v b h 的相噪声指标，高频时的相位噪声有待改善，实际环路带宽比 设计的要小。这些结果都为今后的研究工作提供了参考。 关键词：锁相环：分数频率合成器：相位噪声：调制器 a b s t r a c t f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r i sw i d e l yu s e di nc o m m u n i c a t i o n s p r o j e c t s ，c o n s u m e re l e c t r o n i c sp r o d u c t s ，a n do t h e rf i e l d s i t h a sb e e nd e v e l o p e df r o md i s c r e t ec o m p o n e n t sa n di n t e g e rt y p e t oi ca n df r a c ti o n a l _ n t y p e a st h e d e v e l o p m e n t o f c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g ya n di cp r o c e s s ，a sw e l la st h eh i g h e r r e q u i r e m e n t so nt h ea s p e c t sa sp o w e rc o n s u m p t i o n ，s i z e 、f u l l y i n t e g r a t e d 、p e r f o r m a n c e b a s e do na f r a c ti o n a l _ nf r e q u e n c y s y n t h e s i z e rw h i c ha p p l i e di n d v b hm o b i l ed i g i t a lt v ，t h i s t h e sism a k e sad e t a il e dr e s e a c ha n dd is c u s si o no nt h e o p t i m i z a t i o nd e s i g no fp l ll o o pa n dn o i s eo nt h el e v e lo fs y s t e m a n dc i r c u i t ，r e s p e c t i v e l y f i r s to fa 1 1 ，a tt h es y s t e ml e v e l ，d e r i v e df r e q u e n c y s y n t h e s i z e rs y s t e ms p e c i f i c a t i o na c c o r d i n g t ot h ed v b h s t a n d a r d ，a n da n a l y s e d s y n t h e s i z e ra r c h i t e c t u r ea n dt h ed e s i g n b a s i so ft h eo p t i o n so ff r a c t i o n a l 奠f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r 。 s e c o n d l y ，an e wc a l c u l a t i n ga p p r o a c ho fp a s s i v el o o pf i i t e r o ff o u r t h o r d e rc p p l lf r e q u e n c ys y n t h e s i z e ri sc l e a r l y i n t r o d u c e dt os i m p l i f yd e s i g np r o c e s sg r e a t l yb a s e do nr e l a t i o n o fl o o pp a r a m e t e r s ，s u c ha sp h a s em a r g i n 、b a n d w i d t h 、p o l ep o i n t 、 z e r op o i n ta n ds oo n ab e h a v i o r a lm o d e li n gf o rt h i s f r a c t i o n a lns y n t h e s i z e ri se s t a b l i s h e d t om e e tt h en e e d so f t h et a r g e t ，ad e t a i l e da n a l y s i so na em o d u l a t o ra n dt h en o i s e c h a r a c t e r i s t i c si nl o o pd e d i c a t e st h a tn o i s eo p t i m i z a t i o nm u s t h a sat r a d e o f fb e t w e e nt h es u p p r e s s i o no faeq u a n t i z a t i o n n o i s ea n db a n dn o i s e t h e n ，a tt h ec i r c u i tl e v e l ，l c v c oi sc h o s e nb a s e do nt h e d e s i g na n dc o m p a r i s o no ft h er i n gv c oa n d t h el cv c oc i r c u i t a ls op o i n t e do u tt h a tt h ep o w e rc o n s u m p ti o ni nt h ea b s e n c eo f c o n s t r a i n t s ，t h er i n gc a nb e a c h i e v e dg o o dv c op h a s en o i s e i n d i c a t o r s a tt h es a m eti m e ，p h a s ef r e q u e n c yd e t e c t o r ，c h a r g e p u m pa n da m o d u l a t o risa l s oa n a l y s e d f i n a iiy ，t h es y n t h e siz e r ist a p e o u t e dw it ht s m c0 18 u mc m o s d r o c e s s t e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ep h a s en o i s eo fm e a s u r e m e n t a n dc a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o ni ng o o da g r e e m e n t u s i n gi n t e g e r f r e q u e n c y c a nm e e tt h ed v b hp h a s e n o i s es p e c i f i c a t i o n s ， f r a c ti o n a lnf r e q u e n c y c a nr e a c ht h ed v b hp h a s e n o is e s d e c i f i c a t i o n si nl o wf r e q u e n c ya n dn e e di m p r o v e m e n t i nh i g h f r e q u n e c y ，a n dt h e a c t u a ll o o pb a n d w i d t hs m a ll e r t h a nt h e d e s i g n t h e s er e s u l t sa r eh e l p f u l f o rf u t u r er e s e a r c hw o r k k e yw o r d s ：p h a s e l o c k e dl o o p s ；f r a c ti o n a l _ nf r e q u e n c y s y n t h e s i z e r ；p h a s en o i s e ：a m o d u l a t o r i l l 湖南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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结果由本人承担。 学位论文作者签名：隋，蠹：) 芝0 8 年多月z 6 日 湖南师范大学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，研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属湖南师范大学。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。本人授权湖南师范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、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ”) 作者签名：硝1 恐三悲 日期：谣年岁月6 日 导师签名：磨1 咯 日期：c ，8 年工月2 3 日 d v b h 数字电视调谐器的分数频率合成器的设计 1 1 研究意义和背景 第1 章前言 随着电视技术由黑白到彩色，由模拟到数字，由地面接收到移动接 收的发展，不受时空限制的高品质数字电视即将走向千家万户。自从上 世纪九十年代以来，欧洲，美国，日本，韩国等国家对地面和移动数字 电视技术进行了广泛深入的研究和实践，并形成了相应的标准。而我国 也于2 0 0 0 年成立了数字电视标准工作组，并于2 0 0 6 年8 月颁布了基于清 华和上海交大方案的地面数字电视传输国家标准。对于移动数字电视传 输标准，目前世界上大致可分为以下三大系统【l 卅：欧洲的d v b h ( d i g i t a l v i d e ob r o a d c a s t h a n d h e l d ) 系统，日本的i s d b t ( i n t e g r a t e d s e r v i c e s d i g i t a lb r o a d c a s t t e r r e s t r i a l ) 系统和韩国的d m b ( d i g i t a l m u l t i m e d i ab r o a d c a s t ) 系统。而我国的移动数字电视传输标准也即将出 厶 口。 目前，移动数字电视已在各个国家广泛使用，其中d v b h 系统处 于主流地位，我国也将于2 0 1 5 年全部关闭模拟电视传输，因此，对d v b h 移动数字电视接收机的研究有很强的迫切性。数字电视接收机一般分为 数字电视调谐器( t u n e r ) 并l l 解调器( d e m o d u l a t o r ) 。调谐器的作用是将射频 信号转化为中频或基带信号，解调器将中频或基带信号解调成由多个图 像，声音以及数据信号流汇集成单一传输流( t r a n s p o r ts t r e a m ：t s ) ，然 后由解码器处理并最终进行数字电视的输出。 在数字电视接收机中，射频调谐器的设计是其中的难点，尤其是针 对用于手机等移动设备的移动数字接收机中的调谐器而言，要具有低功 耗，小尺寸，全集成，高性能的特点。因此，目前主流的调谐器大多采 用不需要片外镜像抑制滤波器的零中频接收构架，调谐器中的频率综合 器为零中频接收链路提供低相噪声的本振信号。全集成的低噪声频率综 合器的实现是工业界和学术界研究的热点。由于调谐器小尺寸，全集成 硕i ：学位论文 的要求，频率综合器适合采用不需要大的片外滤波电容分数型综合器。 锁相与频率综合技术是实现相位自动控制的一门科学，是专门研究 系统相位关系的技术。锁相技术的核心是锁相环路，即一个实现相位自 动锁定的控制系统。目前整数型频率综合器的设计已经比较成熟【5 】，但 是它不适合分辨率和响应速度较高的系统，而分数频率综合器适用于更 高要求的系统，因此本文将对基于d e l t a s i g m a ( z x x ) 技术的分数型频率综 合器进行研究。 1 2 分数频率综合器构架及系统指标确定 一般来说，频率综合器关心的性能指标包含了：频率的分辨率、可 调频率范围、频率切换的瞬态稳定时间、相位噪声或者时钟抖动、参考 时钟的馈通毛刺、功耗等几个主要方面。由于不同应用对于频率综合器 的性能要求各不相同，通常频率综合器的结构和复杂度也随着应用系统 的不同要求存在着差异。 本论文研究的是应用在d v b h 接收机中的频率综合器，而相位噪 声是频率综合器设计的重点和难点，也是目前改进频率综合器的主要研 究方向。根据d v b h 的性能要求，初步计算满足系统要求的频率综合 器的相位噪声等性能指标。 图1 - 1 数字电视调谐器的接收链路 接收链路如上图所示：接受到的射频信号经过低噪声放大器 l n a ( l o wn o i s ea m p l i f i e r ) 放大，与p l l 提供的本振信号下混频，得到 基带信号送到p m a ( p o s tm i x e ra m p l i f i e r ) 放大，以便降低滤波器的噪声要 d v b h 数字电视调谐器的分数频率合成器的设计 求，然后通过滤波器，最后通过可变增益放大器v g a 输出两路正交的 基带信号，然后通过解调器( d e m o d u l a t o r ) 解调。 由于移动数字电视传输时，会受到强烈的邻道干扰，即相邻频道的 模拟或数字电视信号的干扰，其中最严重的是邻道模拟电视的图像载波 干扰。根据i e c 6 2 0 0 2 1 的国际标准( m o b i l ea n dp o r t a b l ed v b t hr a d i o a c c e s s - - i n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n ) ，邻道图像载波比要接收的有用信号高 3 8 d b ，如图1 2 所示。信道带宽7 6 1 m h z ，信道间距0 4 m h z ，相邻干扰信 号与本振距离5 2 5 5 m h z ，下面初步计算在5 2 5 5 m h z ，频率偏移下系统的 相位噪声等性能指标。 ：j v ：l j o n l y o f l l e ：i n l e r f e r e r ；+ ：i ! ： i ： l ： ：i ；： ； i ： ：i ：l i ； i i， ： l ；： n + 1n + 2 & c u ji , c u 。z ：堡煦 | j 蕊胪 图1 - 2d v b - t h 的邻道模拟电视干扰 设相邻信道干扰功率p l ，射频接受信号功率p 2 ，本振信号功率p 3 ， 本振在相邻信号的相噪声功率p 4 。根据标准a = 3 8 d b ，即 1 0 1 9 p 1 1 0 1 9 p 2 3 8 d b ： 且混频后输出的基带信号的信噪比大于2 5 d b ，即： s n r ： 丝丝 1 0 z 一， 尸l p 4 7 6 1 m 故一p 3 s n r 7 6 1 m 旦：1 0 2 一7 6 1 1 0 6 1 0 3 8 ：1 5 1 6 1 0 1 2 p 4p 。乞 从而1 0 1 9 p 3 1 0 1 9 p 4 1 3 1 8 d b 上式表明要求p l l 在5 2 5 5 m h z ，频率偏移下的相位噪声为1 3 2 d b c h z ， 硕 ：学位论文 由于本振可能发生偏移，在最坏的情况下本振信号与相邻干扰信号距离 1 4 5 m h z ，故要求p l l 在1 4 5 m h z 频率偏移下的相位噪声为- 1 3 2 d b c h z 。 同理可以得到在9 4 5 m h z 频率偏移下的相位噪声为- 1 4 2 d b c h z ，文献【6 】 也介绍了标准的推导。 下面给出了用于d v b h 产生本振信号的分数频率综合器的结构 图，它由鉴频鉴相器p f d 、电荷泵c p 、三阶无源环路滤波器l p 、l c 压 控振荡器、高速2 分频电路、分频器d i v 、d s m 、p e c 组成。 图1 - 3 数字电视调谐器的分数频率合成器 1 3 论文的主要工作和贡献 首先在研究p l l 线性模型的基础上，对高阶环路滤波器的优化设计 进行了理论推导和流程设计，并用m a t l a b 进行行为级的快速仿真验 证了设计方案。 在系统方面，用c p p s i m 进行时域仿真，将复杂环路的动态特性分 析清楚。 研究锁相环路中各个子模块相位噪声特性，及其对整个频率合成器 噪声的贡献，并用m a t h c a d 将各部分噪声在频域的具体情况计算出来， 并与测试结果进行了比较。 设计并流片两款环形压控振荡器。 研究l c 压控振荡器的工作机理，并设计仿真一款窄带l c 振荡器。 d v b h 数字电视凋谐器的分数频率合成器的设计 p f d 电路结构的改进，使得电荷泵电流源失配的消除很彻底。 1 4 论文的组织结构 论文各章的内容安排如下。首先在前言对应用于d v b h 标准的频 率合成器的相位噪声要求进行了推导。第二章对频率合成器的架构进行 了分析，并通过对锁定时间，频率精度和参考时钟等分析选择了a e 分 数频率合成器进行研究与设计。第三章对高阶频率合成器环路参数进行 理论推导，得到一套四阶锁相环的环路滤波器的设计流程，并用c p p s i m 对系统的环路带宽，锁定时间等动态特性进行时域仿真。第四章对a e 分数频率合成器噪声特性作了详细的分析，并用m a t h c a d 对三阶a 2 频 率合成器的噪声进行了估算。第五章对l c 振荡器和环形振荡器的工作 原理进行说明，并仿真一款窄带l c 振荡器和将流片的两款环形振荡器 比较。第六章给出了p f d 和c p 电路的实现及仿真，对设计中所用a z 调制器作了说明，并大致的解释了分频器的实现。第七章给出了测试结 果。最后对全文做出了总结，并提出了下一步工作的设想和展望。 硕j ：学位论文 2 1 概述 第2 章频率综合器的结构 p l l 电路最早是由h d eb e l l e s c i z e 于1 9 3 2 年提出，很快在电子学和 通信领域中获得了广泛应用，频率合成器就是是锁相环技术的应用之 一。通俗的讲在锁相环的反馈回路中增加了分频器模块，成为频率合成 器。频率合成器是一种可以产生干净、稳定、可编程频率的频率发生器。 频率合成理论白2 0 世纪3 0 年代提出以来，已取得了迅速的发展，逐渐形 成了目前的4 种技术：直接频率合成技术、直接数字式频率合成技术、 混合式频率合成技术和锁相频率合成技术。 1 ) 直接模拟式频率合成器 直接式频率合成器是最先出现的一种合成器类型的频率信号源。 这种频率合成器原理简单，易于实现。直接模拟式频率合成器是由一 个高稳定、高纯度的晶体参考频率源，通过倍频器、分频器、混频 器，对频率进行加、减、乘、除运算，得到各种所需频率。直接合 成法的优点是频率转换时间短，并能产生任意小的频率增量，但是频 率范围受到限制，不能实现单片集成，输出端的谐波、噪声及寄生频 率难以抑制。因此，直接模拟式频率合成器已逐渐被锁相式频率合成 器、直接数字式频率合成器取代。 2 ) 直接数字频率合成技术 直接数字频率合成( d d s ) 技术是2 0 世纪8 0 年代末，随着数字集成 电路和微电子技术的发展出现的一种新的数字频率合成技术，它从 相位量化的概念出发进行频率合成。d ds 技术与传统的频率合成技 术相比，具有频率分辨率高、相位噪声小、稳定度高、易于调整及 控制灵活，但是它合成信号的频率较低、频谱不纯。 3 ) 混合式频率合成技术 p l l 技术具有高频率、宽带、频谱质量好等优点，但其频率转 换速度低。d d s 技术则具有高速频率转换能力、高度的频率和相位 d v b h 数宁电视调谐器的分数频率合成器的设计 分辨能力，但目前尚不能做到宽带，频谱纯度也不如p l l 。混合式 频率合成技术利用这两种技术各自的优点，将两者结合起来，其基 本思想是利用d d s 的高分辨率来解决p l l 中频率分辨率和频率转换 时间的矛盾。 4 ) 锁相式频率合成技术 锁相式频率合成器是采用锁相环( p l l ) 进行频率合成的一种频 率合成裂7 1 。它是目前频率合成器的主流，也是本文研究和设计的频 率合成器类型。 2 2 锁相环的分类 锁相式频率合成技术根据环路增益在原点处的极点数分为i 型锁相 环和i i 型锁相环。i 型锁相环：环路增益在原点处有一个极点；i i 型锁相 环：环路增益在原点处有二个极点。 2 2 1 i 型锁相环 i 型锁相环的基本构成是三部分：鉴相器( p h a s ed e t e c t o r ，p d ) ， 低通滤波器( l o wp a s sf i l t e r ，l p f ) ，和压控振荡器( v o l t a g ec o n t r o l o s c i l l a t o r ，v c o ) 。如图2 1 所示。 v r n 图2 - 1i 型锁相环的结构示意图 所谓鉴相器就是一个检测相位差值并产生与之成正比的输出的模 块。在理想情况下，鉴相器的平均输出巧与其两个输入的相位差矽成 线性比例，k p n 就是鉴相器的增益，其单位为伏弧度( v r a d ) 。理想的v c o 的输出频率随控制电压线性变化，k 。就是压控振荡器的增益，其单位 为弧度伏( r a d v ) ，通常表示为赫兹伏( i - i z n ) 。低通滤波器是用来设定环 路的动态特性和滤掉鉴相器输出的高频成分，使得环路锁定时候压控振 硕l ：学位论文 荡器有一个稳定的控制电压。 假设低通滤波器是一阶，则动态特性分析【8 1 如下： 开环传输函数： 日( s ) i 印。= 鲁( s ) l 印。= k 肋五1 _ k v c _ o 国l p f 闭环传输函数： 日( j ) l ：_ 广堡遒l 一+ s + kp d k y c o 用控制理论常用形式：h ( s ) = 分析得到 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 其固有频率： c o = l r o t e r k e d k v c o ( 2 3 ) 阻尼系数：f 2 三i 耋鼍 q _ 4 ) 闭环系统的两个极点：s 。，：= 一鲺( f 2 1 ) = ( 一f f 2 1 ) ( 2 5 ) 当f 1 ，两极点为负实数，系统是过阻尼的，其瞬态响应包括了两个时间 常数为三，1 的两个指数；当f 1jf ：1j0 f c k 8 卡q 饔芏、1 一2 齐 + 2 l 抽 o 麓晰b 2 4 - c 2 4 - b 图2 - 4p f d 的结构及输入输出特性 如图2 4 一a 和图2 3 ，若d f f 上升沿触发，参考信号从a 给入，v c o 反馈的信号从b 给入，d 一直接高电平。当a = 1rb = 0 时，d f f a 触 发，q a = i 且q b - - 0 ，此时电流源对c p 充电；当b 的高电平也来到时， d f f b 触发，q b = i ，此时电荷泵的上下开关都打开，充放电同时进行； q a 和q b 的高电平经过与门使得两个触发器复位，即q a = q b = 0 ，此时 电荷泵开关都断开v c 保持不变。图2 4 一c 是理想p f d 的输入输出特性图， 具体p f d 电路实现要考虑的问题见第6 章第2 节。 如图2 3 ，电荷泵由两个带开关的电流源组成，根据两个逻辑输入信 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，或者维持电压不变。具体c p 电路实现要考虑的问题见第6 章第3 节。 针对如图2 3 所不的简单结构，动态特性分槲副如下： 开环传输函数：日( j ) | 删= 去( 尺+ 专) 争( 2 - 7 ) 闭环传输函数：h ( sc l o s e d = 再h 丽o ( s ) 2 芴虿i 了p k i v i c o ( = r c 丽p s i + 了1 ) 磊( 2 - 8 ) 用控制理论常用形式分析得到： 其固有频率： 鸭2 筹芘以而( 2 - 9 ) 阻尼系数：f r ，j vi p k ，v c 万o c p 一扣：了i ( 2 - 1 0 ) d v b h 数字电视调谐器的分数频率合成器的设计 j l r c ：丝 国” ( 2 11 ) 闭环系统的两个脯气：=下-iekvcor、f黑r2(ipk晤vco)2 i p k v c o ( 2 - 1 2 ) ：( 一f 歹j ) 根轨迹随j p k 脚的值变化而变化见图2 - 5 ，该图也是根据i i 型锁相环的闭 环传输函数表达式给定一套参数值在m a l a j 3 上面编写m f i l e 文件得到 的一个示意图。 当l k 啪= o ，f = o 两个极点位于原点；随着k 啪值增加，在0 f 1 范围内，两极点s = ( 一f f 2 - 1 ) c o 。是 两个负实数，分别沿着实轴左右方向移动。 在f _ 时= ( _ f + 历) 峨嗍- 1 + 1 2 _ 古+ 专) _ _ 专一口 极点s 。= 一击；另一个极点s ：= ( 一f 一f 2 一1 ) q 专咱。由 i 乙p 0 f c z ，g z j 二一( c l + c 2 + c 3 ) s 蜀r 2 将式( 3 - 1 6 ) 写成 z ! ( c i + c 2 + g ) s 由式( 3 1 5 ) 和( 3 q 2 + o ) p 3 c 2 + c 3 r ：c 2c 3 r 1c l j + 1 c 2c 3 s 2 + r ( c 2 + c 3 ) j + 1 ( s + c o ：) c o p 2 0 7 p 3 ( s + 缈p 2 ) ( s + 6 0 p 3 ) 可知： 2 3 l g 一 r 。r c 2 c 3 其中零点和两个非零极点分别为 缈：2 而缈p 2 丽p 3 r 2 c 3 四阶频率合成器环路传递函数表示为 小) 2 。，百拓。瓦1 。而( s - 瓦 l - ( ) z 丽) ( = ) p 2 ( j ) p 3 蚂( s + 敛) 2 c o p 3 ( g + c ：+ c j ) s 2 ( s + 2 ) ( s + q 3 ) k 啪l 单位增益时，即陋( j o e ) i _ 1 ，可求得环路带宽 1 8 ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) ( 3 - 1 8 ) ( 3 1 9 ) ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) d v b h 数宁电视调谐器的分数频率合成器的设计 其帆：t a n 怫，= 一n 山：a r c t a n l ( 吐r - 殄c 其中环路增益：k ：i c p k v c o r , 开环相位裕度： = 织一一= a r c t a n ( 薏 一a r c t a n v c 。c - a r c t a n ( v c 。c c 3 2 2 ， 第二个非零极点对相位裕度的影响很小，对式( 3 - 2 2 ) 求导可得最大相位 裕度在而附近产生，故相位裕度最大时 国c 缈p z 国：z _ 赢k ( 3 - 2 3 ) 由式( 3 - 1 8 ) 和式( 3 - 2 0 ) 得到 乏2 四阶频率合成器闭环传递函数 日( s ) i 咖耐= 雨n h 丽o ( s ) = 丽n k s + f _ o 。 ( 3 - 2 4 ) s+r,cl(c2+c3)+r2c3(c,+c2)s，+刍鱼鱼j：+ 茎 s + = 丝 r l r 2 c l c 2 c 3r l r 2 c l c 2 c 3r l r 2 c 2 c 3r 沁2 c l c 2 c 3 ， n k ( s + 缈：) # g - - - - - - - - - - - - - - - - - 二：二- - - - - - - - - - - - 一 s ：+ 茎g ! s + 茎 q + c ：+ c 3r l ( c l + c 2 + g ) ( 3 - 2 5 ) 由四阶电荷泵锁相环频率合成器环路传函的2 个非零极点和1 个零点 可以画出理论上的波特图，从图1n - q 以看到一旦环路的零点和两个非零 极点确定，整个波特图的形状确定，在环路带宽指标给出后，那么波特图 的位置也是确定的。故环路滤波器的零极点的设置很重要。在d e a n n 3 1 和w i l l i 锄o n 4 1 的设计方法中参数变量过多，并没有明确表示零极点之间 的关系。为了确保环路的稳定性，在图3 - 3 中环路增益为o d b 时候，相位 裕度应到达最大值。 硕二f = 学位论文 图3 - 3 四阶电荷泵锁相环理论波特图 式( 3 2 3 ) 可以写成： 删= 嬲 ( 3 2 6 ) 四阶频率合成器闭环传递函数分析可以得到本征频率和q 和阻尼因子善 分别为： l k r _ 一 2 1 瓦砭- 泛丽2 q 哆 当孝= 1 时，q t2 哆：2 峨 当孝 1 时，t ，：= q ( 孝尹j ) 3 3 环路滤波器的设计 f ：鱼f 墼 ：! 巨 2 - qc , + c 2 + c 3 21 心 ( 3 2 7 ) 由于环路滤波器的参数设计是为v c o 增益，电荷泵增益，和分频比n 服务的，所以首先根据目标工艺进行压控振荡器的参数设计。 第二，环路带宽是环路参数设计中最关键的参数，一般说来，它与 v c o 的相位噪声、锁定时间和分辨率成反比，与参考频率、p f d c p 和l p f 相位噪声成正比。在优化相位噪声时会选择较大的环路带宽，但是这样 会使得系统分辨率变差，为了在优化相位噪声的同时又提高频率合成器 的分辨率，复杂的分数型频率合成器是设计趋势所在。 第三，留有足够的相位裕度来容纳设计参数的变化。 第四，由于电荷泵电流与环路滤波器总的电容大小成正比，电容大 的频率合成器虽然有着较好的相位噪声，但集成电容的面积也更大。故 d v b h 数宁电视调谐器的分数频率合成器的设计 对于单片集成的频率综合器而言，电荷泵电流大小的确定，需要在相位 噪声性能以及集成电容的面积之间进行折衷。 第五设计的分频比可以选择最小分频比和最大分频比的几何平均 值。 最后，在确定k 一、嘞、值后进行环路滤波器参数的设计。 为了确保环路的稳定性，当频率合成器有着很宽的频率范围时，电 荷泵电流和环路滤波器电阻电容值必须有合适的值。本文从相位裕度和 环路带宽出发，利用3 2 节分析得到的结果来设计四阶电荷泵锁相环环路 滤波器电阻电容值。 通过系统要求和v c o ，电荷泵的性能确定正，l ，k v c o ，n 等参数， 指定正，以及由式( 3 - 1 8 ) ，( 3 2 3 ) 确定t ，k ，然后由式( 3 - 2 1 ) ，( 3 - 1 8 ) 确定r ，q ，e 。当估算结果不满足缈m 缈z 一伊p t ，则累计增加电容比 b = b l + + 1 或减小零点z = 正( + 1 ) 。当估算结果满足伊m 尺：。r ：取值越小，第二个非零极点位置越远，然而随着第 二个非零极点位置的远离，环路滤波器对频谱杂散的抑制能力会降低， 所以在实际设计时需要在相位裕度和频谱杂散抑制能力以及v c o 调谐变 容二极管电容值之间作权衡。对频谱杂散的抑制能力和第二个非零极点 的关系如下： at t e n = 2 0 1 0 9 ( 2 n f ，e f r 2c 3 ) 2 + i i f ，3 2 8 挈 土i 幔圃i ；臣j 在满足r 标相位裕度的条件f 尽可能使g 比v c o l e d i 女变窖二 极锊输入点的电容值大 是 图3 - 4 三阶无源环路滤波器计估算流程图 若给出环路参数：环路带宽z ：2 0 0 k h z ，电荷泵电流0 ：2 0 0 川，压控 振荡器的增益k 。：8 0 m h z v ，相位裕度：6 0 。，分频比n 在5 0 到7 2 之间变化。 则可以根据文中估算流程得到各个电容电阻值，以此在m a t l a b 上编 写的m f i l e 文件： 表3 - 2 相位裕度仿真程序文件 从仿真结果图3 5 可以看到，环路带宽为1 9 7 k h z 时候，相位裕度到 达最大值5 9 7 度，是合乎设计要求的。 d v b h 数字电视调谐器的分数频率合成器的设计 开嘎相位裕度) - 羽7 向( t 1 2 e 棚r - d 恕) 颤摹( r - d j s 】 图3 - 5m a t l a b 仿真的b o d e 图 3 4c p ps i m 在时域仿真 3 4 1s u e 2 s u e 2 是由l e et a v r o w 编写的用来进行集成电路设计的 s c h e m a t i cu s e r se n v i r o n m e n t p a c k a g e 的更新版本【l5 1 ，支持h s p i c e 网 表类似c a n d e n c e 设计器。该软件有一个s c h e m a t i c 库和两个图标 库，使用者可以自由新建库，原理图及图标。使用该软件建立分数频 率合成器的系统级行为模型u 引如下图： 硕i ：学位论文 图3 - 6c p p s i m 系统仿真图 在上面的系统级行为模型当中，由于模型库当中已经有的模型并不 满足需求，故根据需要在c o m m o n c o d e 的m o d u l e s p a r 中建立新的模型： 上下电流都延时的三态p f ，用于分频器的三阶s i g m a调制器，用于delta p e c 的二阶s i g m ad e l t a 调制器，整数分数分离器，斜坡函数发生器， 1 6 位伪随机序列发生器。 模型文件见表3 3 ，模型文件写好以后，在s u e 2 的s c h e m a t i c 中建 立模块，要按照代码的内容编辑各个端口的属性，保存在s p p s i mm o d u l e s 中，方便建模使用。 d v b h 数字电视调喈器的分数频率合成器的设计 表3 - 3c p p s i m 中新建立元件的模型文件 m o d u l e ：t r i s t a t ep f d 2m o d u l e ：i n tr a ts e p s i mo r d e r ：x i 3x i 4 x i ox i lx i 2x i 5 x i 8x i 6x i 7 p a r a m e t e r s ： i n p u t s ：d o u b l ei n m o d u l e ：p o w e r _ a m po u t o u t s ：d o u b l eo u t i n t d o u b l eo u t r a t p a r a m e t e r s ：d o u b l eo u 山w e r c l a s s e s ： i n p u t s ：d o u b l ei n s t a t i cv a r i a b l e s ： o n t o u t s ：d o u b l eo u t i n i t ： c l a s s e s ： c o d e ：o u t i n t = - f l o o r ( i n + 0 5 ) ；o u t r a t - = i n - o u t i n t ； s t a t i cv a r i a b l e s ：d o u b l eg a i n| | | | l | | m m m 滔i l i n i t ： m o d u l e ：r a m p _ i n g a i n = 1 o s q r t ( 1o o ) + p o w ( 10 0 ，o u t _ p o w e r 2 0 0 ) ；p a r a m e t e r s ：d o u b l ev e n dd o u b l ev s t a r td o u b l et s t a r t c o d e ：d o u b l et e n d o u t = i n * g a i n ； i n p u t s ： | | l m l l l m m | l l l l l | | | | l l | l | l i l l l l | m m | o u t l c i u t s ：d o u b l es t e p m o d u l e ：f f d s m3o c l a s s e s ： p a r a m e t e r s ：d o u b l eg a i nl ，d o u b l eg a i n 2 ，d o u b l eg a i n 3 s t a t i cv a r i a b l e s ：d o u b l ei i n p u t s ：d o u b l ei nd o u b l ee l k i n i t ： o u t p u t s ：d o u b l eo u t ，d o u b l ee _ p h i ，d o u b l ee _ f r e q i = 0 o ： c l a s s e s ：e d g e d e t e c tc l k e d g e os t e p2v s t a r t ； s t a t i cv a r i a b l e s ：d o u b l esl ，d o u b l es 2 ，d o u b l es 3 ，d o u b l ec o d e ：i + = 1 0 ： 0 l ，d o u b l e0 2 ，d o u b l e0 3 ，d o u b l ei n p u t i fr i + t s t e n d ) i n i t ： s t e p = v e n d ； r l = 0 ；r 2 = o ；r 3 = o ；r l 妒