复旦大学：《微电子学与固体电子学》教学资源（博士学位论文）DVB-T接收机中频率综合器的研究.pdf_大学文库

复旦大学博士学位论文摘要本文从应用于数字地面电视广播DVBT接收机中的频率综合器研究为出发点，首先，简单介绍了DVB-T接收机对频率综合器的性能要求，概括了频率综合器的结构和分析方法。在此基础上，着重研究了频率综合器的环路参数设计和噪声估计方法，并采用TSMC0.25 m CMOS工艺设计了一个窄带的频率综合器加以验证。在环路参数设计方面，本文定量分析了环路参数由于工艺、电压和温度等条件的变化对整个环路稳定性的影响，并在此基础上，提出了基于稳定性优化的环路参数设计方法。在噪声估计方法，建立了对电荷泵等效噪声估算的采样噪声模型，并且进一步的采用了基于环路的噪声参数模型和基于性能指标的噪声参数模型来估算整个环路的相位噪声。在电路设计方面，详细的论述了各个模块的实现方法。研究了差分电荷泵存在的问题并提出了相应的改进技术，同时依据稳定性分析提出了结构简单的稳定性补偿电荷泵：另外本文还提出了采用开关阶跃变容器的全差分压控振荡器电路：并研究总结了低噪声分频器的原理和电路结构。最后，通过仿真和芯片测试，验证了本文提出的基于稳定性优化的参数设计方法，以及电荷泵的采样等效噪声模型的准确性和环路噪声估计方法的可行性：也验证了新电路结构如差分电荷泵及差分压控振荡器的可行性。论文论述了从频率综合器的系统级参数设计到电路设计的完整流程，在此基础上，文章最后提出了噪声优化的方法，为进一步的研究工作提供的很好的参考。关键字：频率综合器，环路稳定性，参数设计，相位噪声，等效噪声模型，噪声估计，差分电荷泵，差分压控振荡器，分频器，稳定性优化，稳定性补偿，噪声优化中图分类号：TN4 IV

复旦大学博士学位论文 IV 摘要本文从应用于数字地面电视广播 DVB-T 接收机中的频率综合器研究为出发点，首先，简单介绍了 DVB-T 接收机对频率综合器的性能要求，概括了频率综合器的结构和分析方法。在此基础上，着重研究了频率综合器的环路参数设计和噪声估计方法，并采用 TSMC 0.25µm CMOS 工艺设计了一个窄带的频率综合器加以验证。在环路参数设计方面，本文定量分析了环路参数由于工艺、电压和温度等条件的变化对整个环路稳定性的影响，并在此基础上，提出了基于稳定性优化的环路参数设计方法。在噪声估计方法，建立了对电荷泵等效噪声估算的采样噪声模型，并且进一步的采用了基于环路的噪声参数模型和基于性能指标的噪声参数模型来估算整个环路的相位噪声。在电路设计方面，详细的论述了各个模块的实现方法。研究了差分电荷泵存在的问题并提出了相应的改进技术，同时依据稳定性分析提出了结构简单的稳定性补偿电荷泵；另外本文还提出了采用开关阶跃变容器的全差分压控振荡器电路；并研究总结了低噪声分频器的原理和电路结构。最后，通过仿真和芯片测试，验证了本文提出的基于稳定性优化的参数设计方法，以及电荷泵的采样等效噪声模型的准确性和环路噪声估计方法的可行性；也验证了新电路结构如差分电荷泵及差分压控振荡器的可行性。论文论述了从频率综合器的系统级参数设计到电路设计的完整流程，在此基础上，文章最后提出了噪声优化的方法，为进一步的研究工作提供的很好的参考。关键字：频率综合器，环路稳定性，参数设计，相位噪声，等效噪声模型，噪声估计，差分电荷泵，差分压控振荡器，分频器，稳定性优化，稳定性补偿，噪声优化中图分类号：TN4

复旦大学博士学位论文 Abstract The purpose of the thesis is to research the fully integrated frequency synthesizer suitable for terrestrial digital video broadcasting(DVB-T)receiver.First,the thesis introduces the specification of synthesizers for DVB-T and summaries the common analysis methods and structure of synthesizers. Then,the research focuses on the analysis methods for loop parameters design and noise estimation, and the test chip of a narrow band synthesizer was manufactured with TSMC 0.25um CMOS technology to verify the analysis. In the part of loop parameters design,the influence on loop stability of parameters variations caused by process,voltage and temperature(PVT)etc is quantitively analyzed.Based on the analysis, the method of parameters design with stability optimization is proposed. In the part of noise estimation,the new sampling equivalent noise model for charge pump is proposed,and the block noise estimation based on the loop parameters or the design specification is suggested to estimate the whole loop noise. In the part of circuits design,the practical circuits including innovations are exhaustively discussed.The improving techniques on the differential charge pump are proposed,and the simple stability compensation method is also proposed based on the stability analysis.The fully differential VCO with new switch-varactor is also proposed.The principle and structure for low-noise divider is also theoretically analyzed and concluded. Finally,through the simulation and chip test,the proposed parameter design method based on stability analysis and optimization is verified,and the proposed sampling-equivalent noise model for charge pump and the method for noise estimation is also verified.Additionally,the novel circuits such as differential charge pump and VCO are validated. In general,the thesis discusses the method and complete procedure from system parameter design to circuits design for frequency synthesizers.At the end of the paper,the optimization method for noise optimization is discussed,which is the good reference for further research. Key words:frequency synthesizer,loop stability,phase noise,parameter design,equivalent noise model,noise estimation,differential charge pump,differential VCO,frequency divider,stability optimization,stability compensation,noise optimization. CLC number:TN4 V

复旦大学博士学位论文 V Abstract The purpose of the thesis is to research the fully integrated frequency synthesizer suitable for terrestrial digital video broadcasting (DVB-T) receiver. First, the thesis introduces the specification of synthesizers for DVB-T and summaries the common analysis methods and structure of synthesizers. Then, the research focuses on the analysis methods for loop parameters design and noise estimation, and the test chip of a narrow band synthesizer was manufactured with TSMC 0.25µm CMOS technology to verify the analysis. In the part of loop parameters design, the influence on loop stability of parameters variations caused by process, voltage and temperature (PVT) etc is quantitively analyzed. Based on the analysis, the method of parameters design with stability optimization is proposed. In the part of noise estimation, the new sampling equivalent noise model for charge pump is proposed, and the block noise estimation based on the loop parameters or the design specification is suggested to estimate the whole loop noise. In the part of circuits design, the practical circuits including innovations are exhaustively discussed. The improving techniques on the differential charge pump are proposed, and the simple stability compensation method is also proposed based on the stability analysis. The fully differential VCO with new switch-varactor is also proposed. The principle and structure for low-noise divider is also theoretically analyzed and concluded. Finally, through the simulation and chip test, the proposed parameter design method based on stability analysis and optimization is verified, and the proposed sampling-equivalent noise model for charge pump and the method for noise estimation is also verified. Additionally, the novel circuits such as differential charge pump and VCO are validated. In general, the thesis discusses the method and complete procedure from system parameter design to circuits design for frequency synthesizers. At the end of the paper, the optimization method for noise optimization is discussed, which is the good reference for further research. Key words: frequency synthesizer, loop stability, phase noise, parameter design, equivalent noise model, noise estimation, differential charge pump, differential VCO, frequency divider, stability optimization, stability compensation, noise optimization. CLC number：TN4

复旦大学博士学位论文前言研究背景数字电视广播技术随着数字通信技术的迅猛发展也臻渐成熟。自从上世纪九十年代以来，欧洲电信标准研究院ETSI(Europe Telecommunication Standard Institue)最先提出数字电视标准DVB系列，随后美国和日本也相继出台了各自的数字电视标准。而我国也于2000年成立了数字电视标准化工作组，展开未来数字电视标准的制定工作。从全世界范围内来看，欧洲的数字电视标准已经被大部分地区所采用，并且其中的卫星数字广播DVB-S和有线数字广播DVB-C两个标准也成为了我国广播业事实上的准标准。就目前情况看来，我国的地面无线数字电视广播标准还正在争论之中，而候选热门标准之一DMB-T[1]采用的技术与DVB-T[2]比较接近，都是基于了OFDM技术。在电视调谐器（即射频接收机）部分，DVB-T和DMB-T对性能指标的要求也基本一致，所以本文就暂以成熟的标准DVBT为切入点。 DVB-T是ETSI提出的地面无线数字广播标准。由于地面无线广播的信道复杂性，及电视信号的高信噪比要求，使得电视调谐器的噪声性能要求很高。就目前而言，全集成的调谐器也是工业界和学术界研究的热点，而其中的难点之一就是如何实现全集成的低噪声频率综合器。目前能达到调谐器性能指标的频率综合器芯片都是采用双极或者是BiCMOS工艺实现的，而且需要较多的片外元器件。而如何用CMOS工艺实现满足调谐器性能的全集成频率综合器面临着诸多的挑战，至少存在着两个方面的问题。首先，集成的元器件会受工艺参数的影响发生改变，不能像片外元器件那么进行很方便的调整，从而会对频率综合器的性能产生影响：其次，CMOS器件本身的高噪声使得低噪声频率综合器设计没有采用双极器件那么容易，需要进行诸多方面的特别是噪声方面的优化考虑。所以本论文将从频率综合器的稳定性优化和噪声优化进行研究，尝试用CMOS工艺实现满足DVB-T接收机性能的全集成频率综合器。论文的主要工作和贡献论文的主要工作和贡献包括： 1)研究和总结了在DVB-T接收机中对频率综合器的性能要求，特别是相位噪声的性能指标。 2)在三阶闭环环路模型的基础上，推导了环路参数设计的流程，并且首次定量

复旦大学博士学位论文前言研究背景数字电视广播技术随着数字通信技术的迅猛发展也臻渐成熟。自从上世纪九十年代以来，欧洲电信标准研究院 ETSI(Europe Telecommunication Standard Institue)最先提出数字电视标准 DVB 系列，随后美国和日本也相继出台了各自的数字电视标准。而我国也于 2000 年成立了数字电视标准化工作组，展开未来数字电视标准的制定工作。从全世界范围内来看，欧洲的数字电视标准已经被大部分地区所采用，并且其中的卫星数字广播 DVB-S 和有线数字广播 DVB-C 两个标准也成为了我国广播业事实上的准标准。就目前情况看来，我国的地面无线数字电视广播标准还正在争论之中，而候选热门标准之一 DMB-T[1]采用的技术与 DVB-T[2]比较接近，都是基于了 OFDM 技术。在电视调谐器(即射频接收机)部分，DVB-T 和 DMB-T 对性能指标的要求也基本一致，所以本文就暂以成熟的标准 DVB-T 为切入点。 DVB-T 是 ETSI 提出的地面无线数字广播标准。由于地面无线广播的信道复杂性，及电视信号的高信噪比要求，使得电视调谐器的噪声性能要求很高。就目前而言，全集成的调谐器也是工业界和学术界研究的热点，而其中的难点之一就是如何实现全集成的低噪声频率综合器。目前能达到调谐器性能指标的频率综合器芯片都是采用双极或者是 BiCMOS 工艺实现的，而且需要较多的片外元器件。而如何用 CMOS 工艺实现满足调谐器性能的全集成频率综合器面临着诸多的挑战，至少存在着两个方面的问题。首先，集成的元器件会受工艺参数的影响发生改变，不能像片外元器件那么进行很方便的调整，从而会对频率综合器的性能产生影响；其次，CMOS 器件本身的高噪声使得低噪声频率综合器设计没有采用双极器件那么容易，需要进行诸多方面的特别是噪声方面的优化考虑。所以本论文将从频率综合器的稳定性优化和噪声优化进行研究，尝试用 CMOS 工艺实现满足 DVB-T 接收机性能的全集成频率综合器。论文的主要工作和贡献论文的主要工作和贡献包括： 1) 研究和总结了在 DVB-T 接收机中对频率综合器的性能要求，特别是相位噪声的性能指标。 2) 在三阶闭环环路模型的基础上，推导了环路参数设计的流程，并且首次定量 1

前言分析了频率综合器中环路参数的变化对环路稳定性的影响[3]。引入了变化因子的概念，并讨论得到了稳定性最优闭环阻尼因子的计算方法，提出了基于稳定性优化的环路参数设计方法。 3)提出了电荷泵等效电流噪声的采样噪声模型，与传统的导通比模型相比，在低频段的噪声分析具有更好的精度。在此基础上，进一步分析了其它各模块的参数化等效噪声模型，得出了环路总相位噪声的估算方法。 4)在详细分析全差分电荷泵电路的基础上，提出了电平位移电路、cascode管隔离、复位信号生成电路等提高性能的方法，并提出了结构简单的稳定性补偿方法。 5)分析了采用开关阶跃可变电容器的新结构LC-VCO的工作原理4]，并且设计了全差分的压控振荡器。 6)分析和总结了低噪声的分频器的设计原理和方法。概括而言，本论文在基于环路稳定性优化的参数设计方法、以及如何准确的估计环路的相位噪声的两个方面进行的深入的研究，为设计高性能的频率综合器得到了很好的指导方法。同时，在电路实现方面，在全差分电荷泵、全差分压控振荡器的设计也有所创新。仿真和测试的结果进一步验证了稳定性参数优化和噪声估计方法的正确性，也验证了电路设计的可行性。论文的组织结构第一章，“DVBT接收机中频率综合器性能”，首先简单介绍一下DVBT标准，及部分与频率综合器性能指标相关的内容：然后重点介绍了频率综合器中的相位噪声和时钟抖动的基本概念；并且进一步推导了DVB-T接收机对频率综合器相位噪声的性能要求。第二章，“频率综合器的结构”，介绍了频率综合器的组成、线性分析模型和噪声的产生及传递等基础知识；进一步介绍了常用的频率综合器的电路结构：整数分频、分数分频和双环路结构，比较了各自的优缺点及适用范围：最后，介绍了DVB-T 接收机的基本结构，并分析了适用的频率综合器结构和存在的问题。第三章，“环路参数设计”，采用闭环三阶的环路模型，推导了设计环路参数的流程和方法：以闭环分析为基础，借助于根轨迹的分析方法，定量分析了环路参数的变化与环路稳定性之间的关系，并且进一步提出了基于稳定性优化的参数设计方法：此外，还分析了二阶模型和三阶模型、三阶模型和四阶模型相互之间的关系。第四章，“噪声估计”，在闭环三阶模型的基础上，分析了环路中各个模块的传输函数和降低环路噪声的方法。提出了电荷泵的采样等效噪声模型，并且分别采用

前言分析了频率综合器中环路参数的变化对环路稳定性的影响[3]。引入了变化因子的概念，并讨论得到了稳定性最优闭环阻尼因子的计算方法，提出了基于稳定性优化的环路参数设计方法。 3) 提出了电荷泵等效电流噪声的采样噪声模型，与传统的导通比模型相比，在低频段的噪声分析具有更好的精度。在此基础上，进一步分析了其它各模块的参数化等效噪声模型，得出了环路总相位噪声的估算方法。 4) 在详细分析全差分电荷泵电路的基础上，提出了电平位移电路、cascode 管隔离、复位信号生成电路等提高性能的方法，并提出了结构简单的稳定性补偿方法。 5) 分析了采用开关阶跃可变电容器的新结构 LC-VCO 的工作原理[4]，并且设计了全差分的压控振荡器。 6) 分析和总结了低噪声的分频器的设计原理和方法。概括而言，本论文在基于环路稳定性优化的参数设计方法、以及如何准确的估计环路的相位噪声的两个方面进行的深入的研究，为设计高性能的频率综合器得到了很好的指导方法。同时，在电路实现方面，在全差分电荷泵、全差分压控振荡器的设计也有所创新。仿真和测试的结果进一步验证了稳定性参数优化和噪声估计方法的正确性，也验证了电路设计的可行性。论文的组织结构第一章，“DVB-T 接收机中频率综合器性能”，首先简单介绍一下 DVB-T 标准，及部分与频率综合器性能指标相关的内容；然后重点介绍了频率综合器中的相位噪声和时钟抖动的基本概念；并且进一步推导了 DVB-T 接收机对频率综合器相位噪声的性能要求。第二章，“频率综合器的结构”，介绍了频率综合器的组成、线性分析模型和噪声的产生及传递等基础知识；进一步介绍了常用的频率综合器的电路结构：整数分频、分数分频和双环路结构，比较了各自的优缺点及适用范围；最后，介绍了 DVB-T 接收机的基本结构，并分析了适用的频率综合器结构和存在的问题。第三章，“环路参数设计”，采用闭环三阶的环路模型，推导了设计环路参数的流程和方法；以闭环分析为基础，借助于根轨迹的分析方法，定量分析了环路参数的变化与环路稳定性之间的关系，并且进一步提出了基于稳定性优化的参数设计方法；此外，还分析了二阶模型和三阶模型、三阶模型和四阶模型相互之间的关系。第四章，“噪声估计”，在闭环三阶模型的基础上，分析了环路中各个模块的传输函数和降低环路噪声的方法。提出了电荷泵的采样等效噪声模型，并且分别采用 2

复旦大学博士学位论文第一章DVB-T接收机中频率综合器性能 1.1引言频率合成技术被广泛应用在国民生活和科技研究的各个方面，早己渗透到了空间探测、通信、雷达、计算机及家电等各个领域。随着微电子技术（尤其是CMOS硅工艺)的迅猛发展，现代频率合成技术已经向微型化和高集成度方向发展。尤其在市场竞争激烈的消费电子领域，全集成的频率综合器已经成为了主流。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DVB-T接收机中的频率综合器，而相位噪声及时钟抖动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。因此本章先简要的介绍一下DVB-T通信系统的特点：然后进一步介绍频率综合器中的相位噪声和时钟抖动的基本概念：最后根据DVB-T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。 1.2DVB-T简介由于本论文所论述的频率综合器是应用于地面数字电视标准DVBT[1]接收机中的，因此这里首先简单介绍一下DVBT的特点及性能要求，这些都将对频率综合器的性能指标有影响。 DVB-T的主要特点： 1)规定的信道涵盖了VHF和UHF频段，并且同时定义了3种带宽，即8MHz、 MHz和6MHz,可以适合不同的国家和地区的应用。目前应用的最为广泛的是 8MHz的带宽。 2)采用编码正交频分多路(COFDM,Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing)通信技术。正交频分多路(OFDM)是一种多载波通信技术，可以解决地面无线信道中的多径效应。所谓编码就是指采用了信道编码技术，如线性分组编码和卷积编码，这样能够提高整个系统的抗噪声和抗干扰能力。 3)DVB-T协议中目前定义了两种子载波数，即2K和8K模式。在2K模式、8MHz 带宽的情况下，实际的有效载波数是K=1704个，每个子载波的带宽是f=4.464, 4

复旦大学博士学位论文第一章 DVB-T 接收机中频率综合器性能 1.1 引言频率合成技术被广泛应用在国民生活和科技研究的各个方面，早已渗透到了空间探测、通信、雷达、计算机及家电等各个领域。随着微电子技术（尤其是 CMOS 硅工艺）的迅猛发展，现代频率合成技术已经向微型化和高集成度方向发展。尤其在市场竞争激烈的消费电子领域，全集成的频率综合器已经成为了主流。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 DVB-T 接收机中的频率综合器，而相位噪声及时钟抖动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。因此本章先简要的介绍一下 DVB-T 通信系统的特点；然后进一步介绍频率综合器中的相位噪声和时钟抖动的基本概念；最后根据 DVB-T 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。 1.2 DVB-T 简介由于本论文所论述的频率综合器是应用于地面数字电视标准 DVB-T[1]接收机中的，因此这里首先简单介绍一下 DVB-T 的特点及性能要求，这些都将对频率综合器的性能指标有影响。 DVB-T 的主要特点： 1) 规定的信道涵盖了 VHF 和 UHF 频段，并且同时定义了 3 种带宽，即 8MHz、 7MHz 和 6MHz，可以适合不同的国家和地区的应用。目前应用的最为广泛的是 8MHz 的带宽。 2) 采用编码正交频分多路(COFDM, Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing)通信技术。正交频分多路(OFDM)是一种多载波通信技术，可以解决地面无线信道中的多径效应。所谓编码就是指采用了信道编码技术，如线性分组编码和卷积编码，这样能够提高整个系统的抗噪声和抗干扰能力。 3) DVB-T协议中目前定义了两种子载波数，即 2K和 8K模式。在 2K模式、8MHz 带宽的情况下，实际的有效载波数是K=1704 个，每个子载波的带宽是fU=4.464kHz， 4