小数型频率合成器毕业答辩

一种2.4GHzDelta-Sigma小数型频率合成器的研究毕业辩论1整理ppt报告内容课题背景和意义课题设计目标和设计方法频率合成器的系统级分析与建模全数字△∑调制器锁相环电路自动频率粗调电路频率合成器的整体性能评估课题总结2整理ppt课题背景和意义WiMAXWLANWPAN

GlobalWMANGPS,北斗GSM/GPRSWLANBlueToothUWBHomeRFRFIDCDMAZigBee我们身处无线通信的时代…TD-SCDMAWCDMA

2.4GHz附近频段内的通信标准：

802.11b/g,BlueTooth,ISM2.4GHz,DECT,ZigBee3整理ppt课题背景和意义频率合成器为无线收发机提供本振信号时域频域4整理ppt课题背景和意义基于锁相环的整数型频率合成器基于锁相环的△∑小数型频率合成器缺点：最小频率步长固定为Fref的整数倍，频率切换速度慢。优点：最小频率步长可以任意小，频率切换速度较快。〔为了保证环路稳定，PLL的环路带宽≤Fref/10〕5整理ppt报告内容课题背景和意义课题设计目标和设计方法频率合成器的系统级分析与建模全数字△∑调制器锁相环电路自动频率粗调电路频率合成器的整体性能评估课题总结6整理ppt课题设计目标性能参数预期设计指标调频范围2.4-2.5GHzI/Q两路正交输出最小频率步长≤1kHz频率切换时间≤150µs带内相位噪声≤-70dBc/Hz带外相位噪声≤-110dBc/Hz@1MHz频率偏移杂散≤-70dBc功耗≤10mW基于TSMC0.13µmRFCMOS工艺7整理ppt课题设计方法△∑小数型频率合成器是一个复杂的数模混合系统CadenceAMS混合信号集成电路设计平台支持VerilogHDL、Verilog-A、Verilog-AMS和真实电路的混合仿真。合理的设计方法可以提高设计效率和成功率！8整理ppt报告内容课题背景和意义课题设计目标和设计方法频率合成器的系统级分析与建模全数字△∑调制器锁相环电路自动频率粗调电路频率合成器的整体性能评估课题总结9整理ppt相位域小信号分析模型对整个频率合成器系统进行线性时不变连续时间小信号近似，可得：开环传输函数：闭环传输函数：环路带宽fc和相位裕度φm的定义：环路所需的锁定时间：此模型的作用：1、评估锁相环的稳定性；2、根据锁定时间要求设计适宜的环路带宽和相位裕度；3、根据环路带宽和相位裕度要求设计各电路模块的参数。10整理ppt相位噪声分析与建模

各电路模块的噪声都被定义为该电路模块的输出噪声且假设各噪声源之间互不相关。△∑小数型频率合成器的输出相位噪声功率谱密度为：----式(2-13)此模型的作用：1、评估系统的相位噪声性能；2、根据系统的相位噪声指标确定适宜的环路带宽；3、根据系统的相位噪声指标确定各电路模块的噪声指标。11整理ppt相位噪声分析与建模△∑小数型频率合成器的相位噪声分析评估方法

----式(2-12)换算关系：12整理ppt行为级混合信号仿真模型VCO和多模分频器合并在同一个模块中以加快仿真速度；各电路模块的行为级模型都是参数化的。此模型的作用：

1、快速地进行系统级仿真验证；

2、充当模块电路的评估验证平台。13整理ppt报告内容课题背景和意义课题设计目标和设计方法频率合成器的系统级分析与建模全数字△∑调制器

锁相环电路自动频率粗调电路频率合成器的整体性能评估课题总结14整理ppt全数字△∑调制器全数字一阶△∑调制器

(x=0.537,m=17,clk=20MHz)调制器输出序列的功率谱

假设累加器数据位宽为m,将其用作一阶△∑调制器时，缺点：其输出序列存在很强的周期性，引起明显的分数杂散。15整理ppt全数字△∑调制器LFSR加抖的MASH1-1-1△∑调制器〔m=17〕

△∑调制引起的量化相位误差序列：式(2-12)△∑调制引起的量化相位噪声调制器输出序列的功率谱采用流水线结构以提高工作频率16整理ppt报告内容课题背景和意义课题设计目标和设计方法频率合成器的系统级分析与建模全数字△∑调制器锁相环电路自动频率粗调电路频率合成器的整体性能评估课题总结17整理ppt锁相环电路△∑小数型频率合成器的核心局部仍是一个锁相环18整理ppt非线性PFD能根据相位误差的大小自动调整环路带宽，从而可加快锁相环的锁定速度。锁相环电路—PFDPFD与电荷泵的组合传输特性

非线性PFD的KPFD+CP的平均倍增量：19整理ppt锁相环电路—PFD特点：没有显式的AND门，没有增加消耗的晶体管数量。加速效果20整理ppt锁相环电路—电荷泵传统的源极开关型电荷泵

静态匹配特性保持不变

采用动态匹配特性改进技术的源极开关型电荷泵动态匹配特性改善明显

21整理ppt锁相环电路—电荷泵电荷泵失配对Vctrl的影响

电荷泵与PFD组合后的传输特性动态匹配改进的电荷泵与PFD组合后输出的噪声电流PPFD+CP=0.12mW@Fref=20MHz22整理ppt锁相环电路—参考电流源温度相关性电源电压相关性23整理ppt锁相环电路—VCO相位噪声调频特性曲线族瞬态起振波形Vpp≈750mVKvco=115-135MHz/V-112.3dBc/Hz@1MHzoffsetPVCO=2mW24整理ppt锁相环电路—多模分频器相位切换型225-256多模分频器PMMD=0.78mW@Fvco=5GHz25整理ppt锁相环电路—多模分频器÷8前置分频器

1stDiv2和2ndDiv23rdDiv2CMLD-latch26整理ppt锁相环电路—多模分频器S1、S2和S3依次连接到相位选择器的第一级MUX、第二级MUX和第三级MUX可以防止F8出现毛刺。27整理ppt锁相环电路—多模分频器FvcoF8F16-F256C[4:0]010001S[3:1]0000000001SwitchPswitch8Tvco8Tvco7Tvco读入分频模数控制信号MC[4:0]分频模数控制逻辑计算是否进行相位切换相位切换Pipeline28整理ppt锁相环电路—环路滤波器TL≈25µs根据相位域小信号分析模型可推导出一系列封闭形式的设计公式：29整理ppt报告内容课题背景和意义课题设计目标和设计方法频率合成器的系统级分析与建模全数字△∑调制器锁相环电路自动频率粗调电路

频率合成器的整体性能评估课题总结30整理ppt自动频率粗调电路传统闭环自动频率粗调

传统开环自动频率粗调本课题所设计的快速开环自动频率粗调方案

采用数控电容阵列降低VCO的调频增益31整理ppt自动频率粗调电路异步频率计数存在误差的原因计数误差取整误差VCO实际输出频率与期望输出频率之间的差距：总误差计数得到的频率差距粗调电路预设的频率差距容限Etol应能承受计数误差和取整误差的影响。VCO的相邻调频曲线的间距约为30MHz，其单个调频曲线的有效频率覆盖范围约为75MHz，Fref=20MHz，P=8，Q=64，Etol=8，因而粗调环路预设的频率差距容限为[-20MHz,20MHz]，总误差为(-5MHz，2.5MHz)。32整理ppt自动频率粗调电路CntFcmpCntFref电路实现8421码33整理ppt自动频率粗调电路快速开环自动频率粗调电路的工作流程图

二进制折半查找算法;

每位搜索耗时65Tref;Sband共4位，故最多耗时1+65x4个Tref;Fref=20MHz时的最大搜索时间为13.05µs。34整理ppt报告内容课题背景和意义课题设计目标和设计方法频率合成器的系统级分析与建模全数字△∑调制器锁相环电路自动频率粗调电路频率合成器的整体性能评估

课题总结35整理ppt频率合成器的整体性能评估△∑小数型频率合成器的最终整体结构图36整理ppt频率合成器的整体性能评估4635MHz

4854MHz4635MHz

5059MHz频率合成器输出信号的功率谱频率合成器的相位噪声

37整理ppt频率合成器的整体性能评估性能参数预期设计指标达到的指标调频范围2.4-2.5GHzI/Q两路正交输出2.28-2.53GHzI/Q两路正交输出最小频率步长≤1kHz80Hz频率切换时间≤150µs≤40µs带内相位噪声≤-70dBc/Hz<-80dBc/Hz带外相位噪声≤-110dBc/Hz@1MHz频率偏移-116dBc/Hz@1MHz频率偏移杂散≤-70dBc≤-75dBc功耗≤10mW3.2mW仿真结果显示，各项指标都到达了设计要求。38整理ppt报告内容课题背景和意义课题设计目标和设计方法频率合成器的系统级分析与建模全数字△∑调制器锁相环电路自动频率粗调电路频率合成器的整体性能评估课题总结39整理ppt课题总结

本文基于CadenceAMS混合信号电路设计平台对应用于无线射频通信芯片中的一种2.4GHz△∑小数型频率合成器进行了自顶向下的研究设计，主要完成了以下工作：△∑小数型频率合成器的整体性能评估结果为：可在2.28-2.53GHz输出两路正交信号，杂散低于-75dBc，带内相位噪声低于-80dBc/Hz，带外相位噪声约为-116dBc/Hz@1MHz频率偏移，频率切换时间约为40µs(其中自动频率粗调过程耗时13.05µs)，整体功耗估计为3.2mW，各项指标都到达了设计要求。为频率合成器建立了系统级的相位域小信号分析模型、噪声模型和行为级混合信号仿真模型；设计了一个MASH1-1-1结构的全数字△∑调制器，它采用LFSR加抖成功地消除了分数杂散；我们还对该△∑调制器所引入的量化相位噪声进行了分析；设计了一种可加快锁相环锁定速度的非线性鉴频鉴相器，它没有引起任何设计本钱增加；设计了一种动态匹配性能得到改进的源极开关型电荷泵，它可降低频率合成器的参考杂散和提高环路的线性度；在1.2V电源电压下基于数控电容阵列技术设计了一个调频增益≤135MHz/V，调频范围到达4.5-5.1GHz的VCO；基于相位切换技术设计了一个225-256的多模分频器，它的最高工作频率可到达7GHz，工作在5GHz时功耗仅为0.78mW；提出了一种快速开环自动频率粗调方案，该方案基于二进制折半查找算法对VCO的调频曲线进行搜索，每位搜索仅需65个参考时钟周期。40整理ppt攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果JinbaoLan,FengchangLai,Zhiqiang