快速锁定射频锁相环频率合成器研究

摘 要

近十几年来，无线通信技术和微电子技术得到了蓬勃发展，对CMOS 射频通信系统的研究方兴未艾。锁相环频率合成器是无线射频系统前端的一个关键部件，频率合成器的锁定速度决定了通信系统的信道切换有多快以及系统被启动的速度有多快，在时分多址和扩频跳频通信系统中，更是急切需要快速锁定的高性能锁相环频率合成器。快速锁定、低相位噪声与毛刺、全集成的锁相环频率合成
器设计始终是现代无线通信系统的一个挑战。

本文论述了锁相环频率合成器的工作原理，它的相位噪声和毛刺，以及它的动态过程，综述了各种加快锁定速度的方法，提出了一种新型的快速锁定的锁相环频率合成器。它包含一个新型的能够直接频率预置的数模混合信号压控振荡器，通过精确地预置压控振荡器的频率，这种锁相环频率合成器能够极大地加快锁定速度。我们采用0.35um 3.3V 标准CMOS 工艺进行电路设计，把频率合成器的所有部件全部集成到了一块芯片上，芯片面积为0.4 平方毫米。测试的结果表明，该频率合成器大大地加快了锁定速度，锁定时间小于10us，而且没有以牺牲相位噪声和毛刺水平为代价。该频率合成器测得的相位噪声是C85dBc/Hz@10kHz、1MHz 参考频率的毛刺为－40dBc。该频率合成器能够自动监测到温度的变化并且补偿压控振荡器振荡频率随温度的漂移，使得压控振荡器的频率几乎不随温度的变化而变化。

目 录

摘 要 ......................................................................................................................Ⅰ
Abstract .....................................................................................................................Ⅱ
目 录 ......................................................................................................................Ⅲ
第一章 绪 论
1．1 频率合成的方法 …………………………………….……………….1
1．1．1 直接模拟频率合成（DAFS）………......…...……..….……1
1．1．2 锁相环路频率合成（PLLFS）...............................................2
1．1．3 直接数字频率合成（DDFS）.................................................3
1．2 锁相环频率合成器在无线通信领域中的应用 ..................................5
1．3 本文的研究意义 ..................................................................................6
1．4 本文的组织结构 ..................................................................................7
参考文献 ..........................................................................................................8
第二章 锁相环频率合成器的评价指标体系
2．1 频率范围和中心频率 ........................................................................10
2．2 频率间隔 ............................................................................................11
2．3 频率的准确度和稳定度 ....................................................................11
2．4 相位噪声和时序抖动 ........................................................................11
2．4．1 相位噪声................................................................................11
2．4．2 时序抖动................................................................................15
2．4．3 相位噪声与时序抖动的关系 ..............................................15
2．5 毛刺......................................................................................................16
2．6 频率转换时间......................................................................................18
2．7 功耗、集成度与成本 ........................................................................19
参考文献 ........................................................................................................21
第三章 电荷泵锁相环频率合成器原理
3．1 电荷泵锁相环频率合成器的线性模型 ............................................22
3．2 电荷泵锁相环频率合成器瞬态过程和锁定时间 ............................24
3．3 电荷泵锁相环路相位噪声分析 ........................................................29
3．4 环路滤波器设计 ................................................................................32
3．4．1 无源二阶环路滤波器设计 ....................................................33
3．4．2 无源三阶环路滤波器设计 ....................................................36
参考文献 ........................................................................................................39
IV
第四章 直接预置的锁相环频率合成器
4．1 加快锁定速度的方法..........................................................................40
4．1．1 动态环路带宽法 ..................................................................40
4．1．2 分数分频法 ...........................................................................41
4．1．3 前馈补偿法 ...........................................................................43
4．2 直接预置的锁相环频率合成器 ........................................................44
参考文献 ........................................................................................................47
第五章 数模混合信号压控振荡器设计
5．1 环路压控振荡器 ................................................................................48
5．1．1 单端环路压控振荡器 ..........................................................49
5．1．1．1 振荡频率 ................................................................49
5．1．1．2 相位噪声 ................................................................51
5．1．2 差分环路压控振荡器 ..........................................................52
5．1．2．1 振荡频率 ................................................................53
5．1．2．2 相位噪声 ................................................................53
5．1．3 一种新型的数模混合环路压控振荡器设计 ......................54
5．1．3．1 设计目标 ................................................................54
5．1．3．2 电路设计与仿真 ....................................................55
5．1．3．3 版图设计 ................................................................62
5．2 LC 压控振荡器 ..................................................................................62
5．2．1 LC 压控振荡器基本原理 ....................................................62
5．2．2 LC 振荡器的相位噪声 ........................................................65
5．2．3 LC 压控振荡器电路结构 ....................................................66
5．2．4 一种新型的数模混合信号LC 压控振荡器设计 ...............67
5．2．4．1 设计目标 ................................................................67
5．2．4．2 电路结构设计 ........................................................67
5．2．4．3 片上电感设计 ........................................................68
5．2．4．4 可变电容器设计......................................................68
5．2．4．5 MOS 管的设计 ......................................................70
5．2．4．6 电路仿真结果 ........................................................70
5．2．4．7 版图设计 ................................................................73
参考文献 ........................................................................................................74
第六章 锁相环频率合成器其余部分设计
6．1 鉴频鉴相器 ........................................................................................77
6．1．1 鉴频鉴相器基础 ..................................................................77
6．1．2 本文的鉴频鉴相器设计 ......................................................81
V
6．2 电荷泵的设计 ....................................................................................82
6．2．1 电荷泵的一般设计原则 ......................................................82
6．2．2 降低毛刺的方法 ..................................................................83
6．2．3 电荷共享................................................................................85
6．2．4 本文的电荷泵设计与仿真 ..................................................87
6．2．4．1 降低毛刺的考虑 ....................................................87
6．2．4．2 电路结构的实现和仿真 ....................................... 87
6．2．4．3 版图设计 ................................................................88
6．3 程序分频器设计 ................................................................................89
6．3．1 吞脉冲程序分频器原理 ......................................................90
6．3．2 双模前置分频器设计 ..........................................................91
6．3．3 双模前置分频器版图设计和仿真结果 ..............................92
6．3．4 程序分频器和数字控制器设计 ..........................................93
参考文献 ........................................................................................................95
第七章 数模混合信号仿真与测试结果
7．1 整体电路设计与数模混合仿真 ........................................................97
7．1．1 采用环路VCO 的PLLFS 整体电路设计与仿真 .............97
7．1．2 采用LC VCO 的PLLFS 整体电路设计与仿真 ...............99
7．2 测试结果 ..........................................................................................100
7．2．1 PCB 版图设计 ....................................................................101
7．2．2 测试数据 ............................................................................102
第八章 结 论
8．1 总结 ..................................................................................................106
8．2 进一步的研究展望 ..........................................................................106
攻读博士学位期间发表的学术论文与申请的专利 ................................108
致 谢 ......................................................................................................................109