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小数分频频率综合器的建模与设计

作　者: 应文荣
导　师: 周健军
学　校: 上海交通大学
专　业: 电路与系统
关键词: 频率综合器锁相环小数分频电荷泵压控振荡器
分类号: TN74
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

频率综合器是无线通信系统中的一个核心模块,它给收发机中的上变频以及下变频电路提供频率可编程的本振信号。因此,频率综合器的性能会直接影响到通信系统的通信质量。目前,锁相环型频率综合器是实现频率综合器最常用的架构之一。相对于传统的整数分频频率综合器,小数分频频率综合器打破了频率精度对环路带宽的限制,可以使用较高的输入参考频率,这使得频率综合器许多方面的性能都得到了明显的提高。因此,近年来,小数分频频率综合器得到了广泛的应用。本文从锁相环型频率综合器的基本工作原理出发,结合Σ-Δ调制器的工作原理,系统地分析和建立了Σ-Δ小数分频锁相环的线性模型和相位噪声模型,并讨论了其杂散产生机制及相关抑制技术。随后,本文针对Σ-Δ小数分频锁相环的相位噪声性能,将所建立的模型应用到锁相环的具体设计之中,并给出了在MathCAD软件中的仿真结果。本文的最后详细地阐述了锁相环中电荷泵以及压控振荡器这两个关键模块的设计原理以及电路实现。其中,电荷泵采用基于运算放大器的电路结构,压控振荡器采用基于交叉耦合负阻的电路结构。两个电路都是采用TSMC 0.18μm CMOS的工艺进行设计、实现以及仿真验证,达到了所预期的性能要求。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-13
第一章绪论  13-16
  1.1 研究背景  13-14
  1.2 课题意义及内容  14-15
  1.3 论文的组织结构  15-16
第二章锁相环型频率综合器简介  16-32
  2.1 概述  16-17
  2.2 整数分频锁相环  17-28
    2.2.1 鉴频鉴相器(PFD)  18-21
    2.2.2 电荷泵(CP)  21-22
    2.2.3 环路滤波器(LF)  22-23
    2.2.4 压控振荡器(VCO)  23-24
    2.2.5 分频器(Divider)  24-28
  2.3 小数分频锁相环  28-31
    2.3.1 小数分频原理  28-30
    2.3.2 Σ-Δ调制器(SDM)  30-31
  2.4 本章小结  31-32
第三章 Σ-Δ小数分频锁相环的建模与设计  32-60
  3.1 环路建模分析  32-41
    3.1.1 基本线性模型  32-33
    3.1.2 三阶环路分析  33-37
    3.1.3 四阶环路分析  37-41
  3.2 锁相环的基本噪声模型  41-43
  3.3 Σ-Δ调制器的设计  43-48
    3.3.1 量化噪声  43-44
    3.3.2 噪声整形  44-45
    3.3.3 SDM 的相位噪声模型  45-47
    3.3.4 电路结构的设计  47-48
  3.4 杂散分析  48-52
    3.4.1 参考杂散  48-49
    3.4.2 小数杂散  49-51
    3.4.3 杂散抑制  51-52
  3.5 模型应用与环路设计  52-55
    3.5.1 环路带宽的选取  52-53
    3.5.2 模块参数的选取  53-55
  3.6 仿真结果  55-59
    3.6.1 环路稳定性  55
    3.6.2 环路相位噪声性能  55-59
  3.7 本章小结  59-60
第四章高性能电荷泵的设计  60-72
  4.1 电荷泵的结构类型  60-61
    4.1.1 单端输出电荷泵  60-61
    4.1.2 差分输出电荷泵  61
  4.2 电荷泵的分析与设计  61-65
    4.2.1 电流匹配  62-63
    4.2.2 电荷注入及电荷共享  63-64
    4.2.3 整体电路结构  64-65
  4.3 电荷泵的电路实现  65-69
    4.3.1 参考电流源  65-67
    4.3.2 镜像电流源  67-68
    4.3.3 运算放大器A1  68
    4.3.4 运算放大器A2  68-69
  4.4 仿真结果  69-71
    4.4.1 功能验证  69-70
    4.4.2 电流匹配精度  70-71
    4.4.3 输出电流噪声  71
  4.5 本章小结  71-72
第五章压控振荡器的设计  72-89
  5.1 VCO 的结构类型  72-75
    5.1.1 环形振荡器  72-73
    5.1.2 电感电容振荡器  73-75
  5.2 VCO 的相位噪声模型  75-80
    5.2.1 线性时不变模型  75-76
    5.2.2 线性时变模型  76-80
  5.3 VCO 的分析与设计  80-82
    5.3.1 电路功耗  80-81
    5.3.2 频率调谐范围  81-82
    5.3.3 整体电路结构  82
  5.4 VCO 的电路实现  82-86
    5.4.1 电感选择  83
    5.4.2 电容阵列  83-84
    5.4.3 可变电容  84-85
    5.4.4 负阻电路  85-86
  5.5 仿真结果  86-88
    5.5.1 功能验证  86
    5.5.2 频率调谐曲线  86-87
    5.5.3 相位噪声性能  87-88
  5.6 本章小结  88-89
第六章总结  89-90
参考文献  90-94
致谢  94-95
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  95-98
附件  98

小数分频频率综合器的建模与设计

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