学校代码：10246 学号： 072052049 復旦大等 硕士学位论文 2~2.4GHz分数分频频率综合器设计 院 系： 信息科学与工程学院 专 业： 微电子学与固体电子学 姓 名： 孟令部 指导教师： 唐长文副教授 完成日期： 2010年6月21日
学校代码： 10246 学 号： 072052049 硕 士 学 位 论 文 2~2.4 GHz分数分频频率综合器设计 院 系： 信息科学与工程学院 专 业： 微电子学与固体电子学 姓 名： 孟令部 指 导 教 师： 唐长文 副教授 完 成 日 期： 2010 年 6 月 21 日
目录 摘要 …l川 Abstract-.............. …V 第一章概述… …1 1.1研究动机… …1 1.2论文研究内容及贡献… 2 1.3论文组织结构… …2 第二章环路参数与相位噪声分析 …5 2.1环路参数设计… …5 2.1.1环路开环传输函数 5 2.1.2根轨迹法 …7 2.1.3相位裕度最大法 10 2.2全差分频率综合器噪声建模 12 2.3全差分滤波器… 15 2.4△∑调制器… 20 2.4.1分数分频原理… 21 2.4.2量化噪声 23 2.5基于ATLAB-GUI的行为级仿真… 24 2.5.1GU概述 25 2.5.2设计例子… 26 第三章电路设计… 33 3.1全差分电荷泵… 34 3.1.1电荷泵非理想因素 35 3.1.2电平转换器… 40 3.1.3全差分电荷泵… 43 3.1.4轨到轨共模负反馈 44 3.2高速预分频器… 46 3.2.1设计考虑… 46 3.2.2高速8/9预分频器… 49 3.3电感电容压控振荡器 51 第四章芯片设计及测试… 55 4.1芯片实现 55 4.2芯片测试结果… 56 第五章总结与展望… 61
I 目录 摘要 ··························································································· III Abstract ······················································································ V 第一章 概述 ················································································ 1 1.1 研究动机 ·········································································· 1 1.2 论文研究内容及贡献 ··························································· 2 1.3 论文组织结构 ···································································· 2 第二章 环路参数与相位噪声分析 ····················································· 5 2.1 环路参数设计 ···································································· 5 2.1.1 环路开环传输函数 ······················································ 5 2.1.2 根轨迹法 ·································································· 7 2.1.3 相位裕度最大法 ······················································· 10 2.2 全差分频率综合器噪声建模 ················································ 12 2.3 全差分滤波器 ·································································· 15 2.4 ∆Σ 调制器······································································· 20 2.4.1 分数分频原理 ·························································· 21 2.4.2 量化噪声 ································································ 23 2.5 基于 MATLAB-GUI 的行为级仿真 ········································ 24 2.5.1 GUI 概述 ································································ 25 2.5.2 设计例子 ································································ 26 第三章 电路设计 ········································································ 33 3.1 全差分电荷泵 ·································································· 34 3.1.1 电荷泵非理想因素 ···················································· 35 3.1.2 电平转换器 ····························································· 40 3.1.3 全差分电荷泵 ·························································· 43 3.1.4 轨到轨共模负反馈 ···················································· 44 3.2 高速预分频器 ·································································· 46 3.2.1 设计考虑 ································································ 46 3.2.2 高速 8/9 预分频器 ····················································· 49 3.3 电感电容压控振荡器 ························································· 51 第四章 芯片设计及测试 ······························································· 55 4.1 芯片实现 ········································································ 55 4.2 芯片测试结果 ·································································· 56 第五章 总结与展望 ····································································· 61
5.1成果总结 61 5.2未来展望 62 致谢… 63
II 5.1 成果总结 ········································································ 61 5.2 未来展望 ········································································ 62 致谢 ·························································································· 63
摘要 在无线通信应用中，射频接收机要求本振信号具有低相位噪声和较小的面 积。这给频率综合器设计带来了挑战。本文的目的就是设计一款应用于数字电视 调谐器中的分数频率综合器，以此为目标展开了详细的电路分析和设计。 本文首先分析比较了环路参数设计的两种不同分析方法。在此基础上，结合 噪声分析，利用MATLAB图形界面得到了优化的环路参数。所设计的图形界面 大大简化了频率综合器的环路参数设计。输入指定的环路参量，图形界面可以给 出完备的仿真结果。 然后，文中详细分析了频率综合器中的各个关键模块。阐述了电荷泵的各种 非理想因素和抑制这些非理想因素所采用的电路技术，在此基础上设计了高性能 的全差分电荷泵。8/9预分频器采用了同步电路结构，在不增加功耗的前提下， 达到了高速的要求。为了减小电源对压控振荡器相位噪声的恶化，文中采用了高 电源抑制比的线性稳压电路给压控振荡器供电实现了低相位噪声的要求。压控振 荡器在工作频率范围内被分成64个子带从而得到了较低的调谐增益。小的调谐 增益不但减小了滤波器的面积，而且优化了环路的相位噪声。 最后，给出了芯片照片和流片测试结果，验证了设计方法和电路设计的正确 性。本文所涉及到的频率综合器在SMIC0.18-μn CMOS工艺下流片实现，电 源电压为1.8V,消耗电流为10mA,面积为1mm2。频率综合器环路带110kHz, 参考杂散小于63dBc。在1MHz频偏处相位噪声小于-110dBc/Hz。100 Hz~100MHz范围内均方根积分噪声，整数分频模式小于0.7度，在分数分频模 式小于1度。 关键词：频率综合器，相位噪声，差分调谐，电荷泵，分频器，压控振荡器 中图分类号：TN432 本论文受到国家自然科学基金资助（项目编号：60876019），国家科技重大专 项资助（批准号：2009ZX01031-002-003-02),上海市青年启明星计划资助（批准 号：09QA1400300) 川
III 摘要 在无线通信应用中，射频接收机要求本振信号具有低相位噪声和较小的面 积。这给频率综合器设计带来了挑战。本文的目的就是设计一款应用于数字电视 调谐器中的分数频率综合器，以此为目标展开了详细的电路分析和设计。 本文首先分析比较了环路参数设计的两种不同分析方法。在此基础上，结合 噪声分析，利用 MATLAB 图形界面得到了优化的环路参数。所设计的图形界面 大大简化了频率综合器的环路参数设计。输入指定的环路参量，图形界面可以给 出完备的仿真结果。 然后，文中详细分析了频率综合器中的各个关键模块。阐述了电荷泵的各种 非理想因素和抑制这些非理想因素所采用的电路技术，在此基础上设计了高性能 的全差分电荷泵。8/9 预分频器采用了同步电路结构，在不增加功耗的前提下， 达到了高速的要求。为了减小电源对压控振荡器相位噪声的恶化，文中采用了高 电源抑制比的线性稳压电路给压控振荡器供电实现了低相位噪声的要求。压控振 荡器在工作频率范围内被分成 64 个子带从而得到了较低的调谐增益。小的调谐 增益不但减小了滤波器的面积，而且优化了环路的相位噪声。 最后，给出了芯片照片和流片测试结果，验证了设计方法和电路设计的正确 性。本文所涉及到的频率综合器在 SMIC 0.18-μm CMOS 工艺下流片实现，电 源电压为 1.8 V，消耗电流为 10 mA，面积为 1 mm2 。频率综合器环路带 110 kHz， 参考杂散小于–63 dBc。在 1 MHz 频偏处相位噪声小于–110 dBc/Hz。100 Hz~100 MHz 范围内均方根积分噪声，整数分频模式小于 0.7 度，在分数分频模 式小于 1 度。 关键词：频率综合器，相位噪声，差分调谐，电荷泵，分频器，压控振荡器 中图分类号： TN432 本论文受到国家自然科学基金资助(项目编号：60876019)，国家科技重大专 项资助(批准号：2009ZX01031-002-003-02)，上海市青年启明星计划资助(批准 号：09QA1400300)
Abstract RF receivers for wireless communication applications require LO with low phase noise and small area.These requirements present challenges for frequency synthesizer design.The main purpose of this paper is to design a fractional-N frequency synthesizer for DTV-tuner applications and based on the purpose much detailed circuits analysis and design is carried out. Firstly,two different loop parameters design methods are compared.Loop phase noise characteristic are analyzed and MATLAB GUI is developed to get proper loop parameters.The MATLAB GUI significantly simplifies the loop parameter design process.For given loop parameters,complete simulation results can be obtained. Secondly,several key modules in frequency synthesizers are presented. Different non-ideal factors in charge pump design are considered and circuit tricks to suppress these factors are combined in the presented fully-differential charge pump.The synchronized 8/9 prescaler is adopted achieving the speed requirements without extra power consumption.In order to minimize the VCO phase noise degradation from power supply,a high PSR LDO is employed. The VCO is split into 64 sub-bands to obtain a small tune gain to ensure a small area of LPF and at the same time the loop phase noise can be optimized. Thirdly,the chip photograph and test results are presented which demonstrates the analysis method and circuits design.The implemented frequency synthesizer draws 10 mA from a 1.8 V supply while occupying about 1 mm2 die area in SMIC 0.18-um CMOS process.The open loop bandwidth is 110 kHz and reference spur is less than-63 dBc.At 1 MHz frequency offset, the phase noise is less than-110 dBc/Hz.The RMS phase error integrated from 100 Hz to 100 MHz is less than 0.7 in integer-N mode and less than 1 in fractional-N mode. Key words:Frequency Synthesizer;Phase Noise;Differentially Tune;Charge Pump;Prescaler;Voltage-Controlled-Oscillator 小
V Abstract RF receivers for wireless communication applications require LO with low phase noise and small area. These requirements present challenges for frequency synthesizer design. The main purpose of this paper is to design a fractional-N frequency synthesizer for DTV-tuner applications and based on the purpose much detailed circuits analysis and design is carried out. Firstly, two different loop parameters design methods are compared. Loop phase noise characteristic are analyzed and MATLAB GUI is developed to get proper loop parameters. The MATLAB GUI significantly simplifies the loop parameter design process. For given loop parameters, complete simulation results can be obtained. Secondly, several key modules in frequency synthesizers are presented. Different non-ideal factors in charge pump design are considered and circuit tricks to suppress these factors are combined in the presented fully-differential charge pump. The synchronized 8/9 prescaler is adopted achieving the speed requirements without extra power consumption. In order to minimize the VCO phase noise degradation from power supply, a high PSR LDO is employed. The VCO is split into 64 sub-bands to obtain a small tune gain to ensure a small area of LPF and at the same time the loop phase noise can be optimized. Thirdly, the chip photograph and test results are presented which demonstrates the analysis method and circuits design. The implemented frequency synthesizer draws 10 mA from a 1.8 V supply while occupying about 1 mm2 die area in SMIC 0.18-µm CMOS process. The open loop bandwidth is 110 kHz and reference spur is less than –63 dBc. At 1 MHz frequency offset, the phase noise is less than –110 dBc/Hz. The RMS phase error integrated from 100 Hz to 100 MHz is less than 0.7° in integer-N mode and less than 1° in fractional-N mode. Key words：Frequency Synthesizer; Phase Noise; Differentially Tune; Charge Pump; Prescaler; Voltage-Controlled-Oscillator
第一章概述 第一章概述 1.1研究动机 数字视频广播(Digital Video Broadcasting)对射频接收机信噪比有着较高的 要求。作为射频接收机中重要的一个模块，频率综合器为射频接收机提供本振， 因而频率综合器要具有低相位噪声的特点。除此之外，频率综合器中滤波器通常 占用芯片较大的面积，能够片上集成滤波器也是全集成接收机的关键技术之一。 频率综合器按结构可以分为整数分频和分数分频。在整数分频频率综合器 中，输出频率只能为参考时钟的整数倍。参考时钟的选取受到输出分辨率的限制， 如果分辨率较小，则参考时钟频率也会比较小。从环路稳定性的角度来考虑，一 般环路带宽小于参考时钟的十分之一。较小的环路带宽一方面不能抑制带外压控 振荡器的相位噪声，另一方面环路的建立时间也会受到影响。分数分频的频率综 合器很好的解决了上述问题。 在分数分频结构中[1)]，△Σ(Delta Sigma Modulator.,简称DSM)调制器输出 的量化序列动态的调整着环路的分频比，因而可以实现分数分频。这样，输出频 率精度就为分频比的小数部分和参考时钟频率的乘积。小数部分越小，频率综合 器输出频率精度就越高。这样，频率综合器输出精度不再受限于参考时钟的大小。 换句话说，当参考时钟很大时，依然可以得到很小的输出分辨率。此时，在较大 的参考时钟下，就可以选取较大的环路带宽来加快锁相环环路的小信号建立速 度，同时更好的抑制来自于压控振荡器的相位噪声。 分数分频同样存在着一些问题。调制器输出的随机序列不可避免的引入了量 化噪声2]。这种噪声经过调制器噪声整形后，低频的噪声被量化到高频。如果频 率综合器环路对高频噪声抑制不够充分，则此部分量化噪声将会恶化频率综合器 高频相位噪声。为了充分抑制这一部分噪声，需要采用噪声消除技术或高阶的环 路滤波器3]。因此通过环路参数设计来优化频率综合器性能具有重要意义。另一 方面，量化噪声通过环路非线性（鉴频鉴相器和电荷泵）折叠到带内，严重恶化频 率综合器带内相位噪声性能。因此设计高线性度的电荷泵也是分数分频模式下获 得良好带内相位噪声的关键[4]。 其次，和单端调谐相比，全差分调谐的频率综合器具有更好的电源抑制比[5]， 1
第一章 概述 1 第一章 概述 1.1 研究动机 数字视频广播(Digital Video Broadcasting)对射频接收机信噪比有着较高的 要求。作为射频接收机中重要的一个模块，频率综合器为射频接收机提供本振， 因而频率综合器要具有低相位噪声的特点。除此之外，频率综合器中滤波器通常 占用芯片较大的面积，能够片上集成滤波器也是全集成接收机的关键技术之一。 频率综合器按结构可以分为整数分频和分数分频。在整数分频频率综合器 中，输出频率只能为参考时钟的整数倍。参考时钟的选取受到输出分辨率的限制， 如果分辨率较小，则参考时钟频率也会比较小。从环路稳定性的角度来考虑，一 般环路带宽小于参考时钟的十分之一。较小的环路带宽一方面不能抑制带外压控 振荡器的相位噪声，另一方面环路的建立时间也会受到影响。分数分频的频率综 合器很好的解决了上述问题。 在分数分频结构中[1]，∆Σ(Delta Sigma Modulator，简称 DSM)调制器输出 的量化序列动态的调整着环路的分频比，因而可以实现分数分频。这样，输出频 率精度就为分频比的小数部分和参考时钟频率的乘积。小数部分越小，频率综合 器输出频率精度就越高。这样，频率综合器输出精度不再受限于参考时钟的大小。 换句话说，当参考时钟很大时，依然可以得到很小的输出分辨率。此时，在较大 的参考时钟下，就可以选取较大的环路带宽来加快锁相环环路的小信号建立速 度，同时更好的抑制来自于压控振荡器的相位噪声。 分数分频同样存在着一些问题。调制器输出的随机序列不可避免的引入了量 化噪声[2]。这种噪声经过调制器噪声整形后，低频的噪声被量化到高频。如果频 率综合器环路对高频噪声抑制不够充分，则此部分量化噪声将会恶化频率综合器 高频相位噪声。为了充分抑制这一部分噪声，需要采用噪声消除技术或高阶的环 路滤波器[3]。因此通过环路参数设计来优化频率综合器性能具有重要意义。另一 方面，量化噪声通过环路非线性(鉴频鉴相器和电荷泵)折叠到带内，严重恶化频 率综合器带内相位噪声性能。因此设计高线性度的电荷泵也是分数分频模式下获 得良好带内相位噪声的关键[4]。 其次，和单端调谐相比，全差分调谐的频率综合器具有更好的电源抑制比[5]
2~2.4GHz分数分频频率综合器设计 但全差分的噪声模型一直以来并没有被详细分析。因此系统的分析差分调谐频率 综合器噪声特性对于相位噪声优化也具有重要的意义。 1.2论文研究内容及贡献 论文围绕频率综合器的分析和设计展开。首先针对频率综合器环路参数设计 和相位噪声优化展开了系统的分析，其次设计讨论了频率综合器关键模块的设计 细节和需要注意的问题。在此基础上，实现了一款分数分频频率综合器。论文的 主要贡献为： 详细比较了环路参数设计的两种方法，基于闭环的根轨迹法和基于开环的相 位裕度最大法。尽管两种分析方法出发点不一样，但却会得到完全相同的结论。 分析了差分调谐结构频率综合器的噪声模型，并和单端结构的噪声模型做出 比较，提出优化滤波器噪声的方法。 设计了基于MATLAB软件的图形设计界面，大大简化了频率综合器参数设 计过程。利用此图形界面可以方便的得到环路参数以及各种系统仿真结果： 设计了高线性度的差分电荷泵，消除了电荷泵常见的非理想因素。设计了同 步结构高速电流模预分频器，在不增加功耗的情况下减小了分频器设计难度。同 时，设计了全集成的压控振荡器，压控振荡器采用片上线性稳压器和尾电感电容 阵列优化相位噪声从而达到了低相位噪声性能。 1.3论文组织结构 本文论文阐述了频率综合器环路参数设计、噪声优化和关键电路模块设计， 然后在此基础上设计了一款应用在DVB-T数字电视调谐器中的分数分频频率综 合器。论文各部分内容如下： 第二章“环路参数与相位噪声分析”首先详细分析了环路参数的两种计算方 法，然后比较了差分调谐和单端调谐两种结构的噪声特性，并提出了减小差分结 构中滤波器噪声贡献的方法，然后简要分析了分数分频中调制器的一些问题。最 后利用MATLAB图形界面设计出了频率综合器环路参数。 第三章“电路设计”首先介绍了电荷泵中常见的非理想因素和抑制这些非理 想因素所采用的电路技术，并利用这些设计技术实现了高性能的全差分电荷泵。 其次，从小信号的角度定量的分析了预分频器的自激振荡频率，在此基础上设计 2
2~2.4 GHz 分数分频频率综合器设计 2 但全差分的噪声模型一直以来并没有被详细分析。因此系统的分析差分调谐频率 综合器噪声特性对于相位噪声优化也具有重要的意义。 1.2 论文研究内容及贡献 论文围绕频率综合器的分析和设计展开。首先针对频率综合器环路参数设计 和相位噪声优化展开了系统的分析，其次设计讨论了频率综合器关键模块的设计 细节和需要注意的问题。在此基础上，实现了一款分数分频频率综合器。论文的 主要贡献为： 详细比较了环路参数设计的两种方法，基于闭环的根轨迹法和基于开环的相 位裕度最大法。尽管两种分析方法出发点不一样，但却会得到完全相同的结论。 分析了差分调谐结构频率综合器的噪声模型，并和单端结构的噪声模型做出 比较，提出优化滤波器噪声的方法。 设计了基于 MATLAB 软件的图形设计界面，大大简化了频率综合器参数设 计过程。利用此图形界面可以方便的得到环路参数以及各种系统仿真结果。 设计了高线性度的差分电荷泵，消除了电荷泵常见的非理想因素。设计了同 步结构高速电流模预分频器，在不增加功耗的情况下减小了分频器设计难度。同 时，设计了全集成的压控振荡器，压控振荡器采用片上线性稳压器和尾电感电容 阵列优化相位噪声从而达到了低相位噪声性能。 1.3 论文组织结构 本文论文阐述了频率综合器环路参数设计、噪声优化和关键电路模块设计， 然后在此基础上设计了一款应用在 DVB-T 数字电视调谐器中的分数分频频率综 合器。论文各部分内容如下： 第二章“环路参数与相位噪声分析”首先详细分析了环路参数的两种计算方 法，然后比较了差分调谐和单端调谐两种结构的噪声特性，并提出了减小差分结 构中滤波器噪声贡献的方法，然后简要分析了分数分频中调制器的一些问题。最 后利用 MATLAB 图形界面设计出了频率综合器环路参数。 第三章“电路设计”首先介绍了电荷泵中常见的非理想因素和抑制这些非理 想因素所采用的电路技术，并利用这些设计技术实现了高性能的全差分电荷泵。 其次，从小信号的角度定量的分析了预分频器的自激振荡频率，在此基础上设计
第一章概述 了高速同步8/9预分频器电路。然后采用片上集成的线性稳压器给压控振荡器供 电，设计了多子带压控振荡器以降低其调谐增益。小的调谐增益不但减小了滤波 器面积，而且优化了环路的相位噪声性能。 第四章“芯片设计及测试”给出了芯片照片和测试结果。 第五章“总结与展望”对本文做出了总结，并对今后的工作做了简要的展望。 参考文献 [1]Tom A.D.Riley,Miles A.Copeland,TAD A.Kwasniewski,"Delta-Sigma Modulation in Fractional-N Frequency Synthesis,"IEEE J.Solid-State Circuits,vol.48,no.5,pp. 553-559,May1993. [2]Enrico Temporiti,Guido Albasini,Ivan Bietti,Rinaldo Castello,Matteo Colombo,"A 700-kHz Bandwidth Sigma-Delta Fractional Synthesizer With Spurs Compensation and Linearization Technique for WCDMA Applications,"IEEE J.Solid-State Circuits, vol.39,no.9,pp.1446-1454,Sep.2004. [3]Hamid R.Rategh,et al."A CMOS Frequency Synthesizer with an Injection-Locked Frequency Divider for a 5 GHz Wireless LAN Receiver,"IEEE J.of Solid-State Circuits,vol.35,no.5,pp.780-787,May 2000. [4]Bram De Muer,Michiel S.J.Steyaert,"On The Analysis of Sigma-Delta Fractional-N Frequency Synthesizers for High-Spectral Purity,"IEEE Transactions on Circuits and System,vol.50,no.11,pp.784-793,Nov.2003. [5]Brownlee,M.Hanumolu,P.K.Mayaram,K.;Un-Ku Moon,"A 0.5-GHz to 2.5-GHz PLL With Fully Differential Supply Regulated Tuning,"IEEE J.Solid-State Circuits vol.41,no.12,pp.2720-2728,Dec.2006. 3
第一章 概述 3 了高速同步 8/9 预分频器电路。然后采用片上集成的线性稳压器给压控振荡器供 电，设计了多子带压控振荡器以降低其调谐增益。小的调谐增益不但减小了滤波 器面积，而且优化了环路的相位噪声性能。 第四章“芯片设计及测试”给出了芯片照片和测试结果。 第五章“总结与展望”对本文做出了总结，并对今后的工作做了简要的展望。 参考文献 [1] Tom A. D. Riley, Miles A. Copeland, TAD A. Kwasniewski, “Delta-Sigma Modulation in Fractional-N Frequency Synthesis,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 48, no. 5, pp. 553–559, May 1993. [2] Enrico Temporiti, Guido Albasini, Ivan Bietti, Rinaldo Castello, Matteo Colombo, ”A 700-kHz Bandwidth Sigma-Delta Fractional Synthesizer With Spurs Compensation and Linearization Technique for WCDMA Applications,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 39, no. 9, pp. 1446–1454, Sep. 2004. [3] Hamid R. Rategh, et al. “A CMOS Frequency Synthesizer with an Injection-Locked Frequency Divider for a 5 GHz Wireless LAN Receiver,” IEEE J. of Solid-State Circuits, vol. 35, no. 5, pp. 780–787, May 2000. [4] Bram De Muer, Michiel S. J. Steyaert, “On The Analysis of Sigma-Delta Fractional-N Frequency Synthesizers for High-Spectral Purity,” IEEE Transactions on Circuits and System, vol. 50, no. 11, pp. 784–793, Nov. 2003. [5] Brownlee, M. ; Hanumolu, P.K. ; Mayaram, K. ; Un-Ku Moon，"A 0.5-GHz to 2.5-GHz PLL With Fully Differential Supply Regulated Tuning," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 41, no. 12, pp. 2720–2728, Dec. 2006
第二章环路参数与相位噪声分析 第二章 环路参数与相位噪声分析 2.1环路参数设计 锁相环(PLL)环路参数包括参考晶振时钟频率，电荷泵电流大小，滤波器电 容和电阻参数，压控振荡器调谐增益以及分频比。其中分频比由输出频率范围和 参考时钟频率共同决定。这些参数的选取在一定程度上直接决定了锁相环的性 能，也是电路设计之前首先考虑的问题。 环路参数设计可以用根轨迹法和相位裕度最大法1][2]。根轨迹形象的揭示 了开环增益，开环零极点和闭环零极点的之间的相互关系。开环增益取几何平均 值以取得最佳的环路稳定性，使得环路能够在工艺，电压和温度变化范围内依然 正常工作。相位裕度最大法以开环增益波特图出发，选取使当的环路参数使得开 环传输函数的相位裕度曲线在开环增益为1时达到最大。根轨迹方法比较直观， 但数学运算比较复杂，相位裕度最大法直接由相位裕度确定环路参数之间的关 系，因而计算起来比较简单。 2.1.1环路开环传输函数 PFD+CP LPF VCO cp Hpf(S) co no Divider 1 图2-1锁相环频率综合器系统框图 基于电荷泵的锁相环本质上是时变系统，精确的分析必须考虑电路的时变特 性。但这样分析起来相当复杂，而且不容易直观上把握。在大部分情况下，环路 带宽与参考时钟频率相比都很小，这样在参考时钟的每个周期内，环路内部状态 变化都非常小，研究每个参考时钟周期内环路的变化并没有太大意义。然而，我 们更多的是关心多个参考时钟周期内环路所表现的平均特性。这样的研究方法就 5
第二章 环路参数与相位噪声分析 5 第二章 环路参数与相位噪声分析 2.1 环路参数设计 锁相环(PLL)环路参数包括参考晶振时钟频率，电荷泵电流大小，滤波器电 容和电阻参数，压控振荡器调谐增益以及分频比。其中分频比由输出频率范围和 参考时钟频率共同决定。这些参数的选取在一定程度上直接决定了锁相环的性 能，也是电路设计之前首先考虑的问题。 环路参数设计可以用根轨迹法和相位裕度最大法[1][2]。根轨迹形象的揭示 了开环增益，开环零极点和闭环零极点的之间的相互关系。开环增益取几何平均 值以取得最佳的环路稳定性，使得环路能够在工艺，电压和温度变化范围内依然 正常工作。相位裕度最大法以开环增益波特图出发，选取使当的环路参数使得开 环传输函数的相位裕度曲线在开环增益为 1 时达到最大。根轨迹方法比较直观， 但数学运算比较复杂，相位裕度最大法直接由相位裕度确定环路参数之间的关 系，因而计算起来比较简单。 2.1.1 环路开环传输函数 图 2-1 锁相环频率综合器系统框图 基于电荷泵的锁相环本质上是时变系统，精确的分析必须考虑电路的时变特 性。但这样分析起来相当复杂，而且不容易直观上把握。在大部分情况下，环路 带宽与参考时钟频率相比都很小，这样在参考时钟的每个周期内，环路内部状态 变化都非常小，研究每个参考时钟周期内环路的变化并没有太大意义。然而，我 们更多的是关心多个参考时钟周期内环路所表现的平均特性。这样的研究方法就
2~2.4GHz分数分频频率综合器设计 避开了环路的时变特性，从而可以利用S域模型来研究离散环路。采用连续时间 的S域模型后，环路分析就被大大简化了。 图2-1为整数分频锁相环型频率综合器系统框图，电荷泵增益为1cJ2T,压 控振荡器的增益为Kvco/S,滤波器的传输函数为Zp(S)。开环环路传输函数： 以=先1KZ肉 (2.1) 2TT N s 定义H(S)增益下降到1时的频率为开环环路带宽，开环环路带宽是环路分 析最重要的物理量之一，它很大程度上决定了环路建立时间，同时也影响系统零 极点分布，还会影响频率综合器的相位噪声特性。 定义Hc(S)=WHJ(1+H)为环路闭环传输函数，通过观察H(S)的阶跃响应就 可以立刻判定系统的稳定性。Hc(S)的零极点即为闭环零极点。通过观察Hc(S)零 极点的分布，可以直观判断系统的稳定性。在系统稳定的情况下，通过H(S)的 阶跃响应就可以方便的得到环路的建立时间。 R3 n Vou oVout R, C2+C3 图2-2三阶环路滤波器 图2-3二阶环路滤波器 图2-2是三阶无源滤波器。电阻R和电容C1形成的串联支路，除在原点产 生一个极点外，还产生了一个大小为11R1C1的零点用来稳定反馈环路。电容C2 和C3与电阻R3引入开环带宽之外的另外两个极点，一方面，这两个极点对压控 电压进行滤波，从而减小压控电压的波动幅度(ripple)以优化杂散(spur)性能，另 一方面，可以有效滤除DSM调制器经过噪声整形后产生的高频噪声。 电阻R和R3本身的热噪声经过环路滤波器后直接调制压控电压，从而在输 出产生相位噪声。若滤波器参数设置不合理，电阻R1和R3将会恶化频率综合器 的相位噪声性能。因此选择滤波器的参数时，在保证环路稳定性的情况下，还应 当兼顾其对输出相位噪声的影响。除此之外，对于片上集成的滤波器，其电容值 不能太大，否则会占用过多的芯片面积。 6
2~2.4 GHz 分数分频频率综合器设计 6 避开了环路的时变特性，从而可以利用 s 域模型来研究离散环路。采用连续时间 的 s 域模型后，环路分析就被大大简化了。 图 2-1 为整数分频锁相环型频率综合器系统框图，电荷泵增益为 Icp/2π，压 控振荡器的增益为 Kvco/s，滤波器的传输函数为 Zlpf(s)。开环环路传输函数： cp vco o lpf 1 () () 2π I K Hs Z s N s (2.1) 定义 Ho(s)增益下降到 1 时的频率为开环环路带宽，开环环路带宽是环路分 析最重要的物理量之一，它很大程度上决定了环路建立时间，同时也影响系统零 极点分布，还会影响频率综合器的相位噪声特性。 定义 Hc(s)=NHo/(1+Ho)为环路闭环传输函数，通过观察 Hc(s)的阶跃响应就 可以立刻判定系统的稳定性。Hc(s)的零极点即为闭环零极点。通过观察 Hc(s)零 极点的分布，可以直观判断系统的稳定性。在系统稳定的情况下，通过 Hc(s)的 阶跃响应就可以方便的得到环路的建立时间。 图 2-2 三阶环路滤波器 图 2-3 二阶环路滤波器 图 2-2 是三阶无源滤波器。电阻 R1和电容 C1 形成的串联支路，除在原点产 生一个极点外，还产生了一个大小为 1/R1C1 的零点用来稳定反馈环路。电容 C2 和 C3与电阻 R3引入开环带宽之外的另外两个极点，一方面，这两个极点对压控 电压进行滤波，从而减小压控电压的波动幅度(ripple)以优化杂散(spur)性能，另 一方面，可以有效滤除 DSM 调制器经过噪声整形后产生的高频噪声。 电阻 R1和 R3本身的热噪声经过环路滤波器后直接调制压控电压，从而在输 出产生相位噪声。若滤波器参数设置不合理，电阻 R1和 R3将会恶化频率综合器 的相位噪声性能。因此选择滤波器的参数时，在保证环路稳定性的情况下，还应 当兼顾其对输出相位噪声的影响。除此之外，对于片上集成的滤波器，其电容值 不能太大，否则会占用过多的芯片面积