一种高分辨率ΣΔ小数分频频率合成器 - 副本
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本科答辩资料
第29卷第4期
固体电子学研究与进展
RESEARCH&PROGRESSOFSSE
V01.29。No.4Dec.,2009
2009年12月
盲‘、_、p,p。≯-p岫
》射频与微波≮
_ndRtppp—o
一种高分辨率EA小数分频频率合成器
郭桂良‘
杜占坤高海军
杨洪文易
青朱思奇阎跃鹏
(中国科学院微电子研究所电子系统总体技术研究室,北京,100029)
2008—08—01收稿.2008—09一Il收改稿
摘要:提出了一种采用新型分频器的小数分频频率合成器。该频率合成器与传统的小数分频频率合成器相比具有稳定时问快、工作频率高和频率分辨率高的优点。设计基于TSMC
0.25pm2.5V
IP5MCMOS工艺.采用sig—
rfla—delta调制的方法实现。经测量得到该频率合器工作频率在2.400~2.850GHz之间,相位噪声低于一95dBc/Hz
@100kHz,最小频率步迸小于30Hz.开关时问小于50肛s.满足多数无线通信系统的要求。
关键词:乏一△调制器;小数分频频率合成器;噪声整形;分频器
中图分类号:TN742文献标识码:A文章编号:1000—3819(2009)04—515~05
AHighResolutionSigma--DeltaFractional _NFrequencySynthesizer
GUOGuiliang
DUZhankun
GAOHaijun
YANGHongwen
YIQing
ZHUSiqiYANYuepeng
(Dept.ofElectronicsSystemTechnology InstituteofMicroelectronics.Chinese
Academy
ofSciences,BeOivg,100029,CHN)
Abstract:Afractional—Nfrequencysynthesizerwithnoveldividersisproposed.Comparedwithtraditionalfractional—Nfrequencysynthesizer,thedesignshowsgoodperformanceoffastsettlingtime,highresolutionwithmaximumworkingfrequencies.Thefraetional-Nfrequencysynthesizerwith3一ordersigma—deltamodulatorisrealizedinTSMCO.25/zm2.5VCMOSpro—eess.Theworkingfrequencyisbetween2.400GHzlowerthan一95dBe/Hz
at
to
2.850GHz.Themeasuredphasenoiseis
30Hzandthe
100kHzoffset。withultra—smallstepsizelessthan
switchingtimeoflessthan30/as,whichmeetstherequirementsformostwirelesscommunicationsystems
Keywords:sigma—deltamodulator;fractional-Nfrequencysynthesizer;noiseshaping;di-
vider
EEACC:1205
不变的情况下,实现比任何单环整数分频频率合成
引言
随着无线通信技术的发展,频率合成器作为本
器更小的步进,从而解决了传统整数分频频率合成器分辨率低的限制。然而相位杂散一直是小数分频频率合成器的主要问题,sigma—delta多级噪声整形技术能够降低杂散,使小频率合成器在完成高频率分辨率的同时达到较好的相位噪声性能r3]。为了降低小数分频频率合成器的复杂度,文中提出了一种新颖的分频器结构,并且采用3阶sigma—deltaMASHl—1一l来降低相位杂散和完成高分辨率。
地振荡器得到越来越广泛的应用D-z]。传统的整数分频频率合成器的主要缺点是频率分辨率等于参考频率,然而在许多应用系统中,对频率合成器的频率分辨率要求较高,整数分频频率合成器不能满足这些系统的要求。小数分频频率合成器是在参考频率
联系作者:E—mail:guoguilian905@gmail.corn
万方数据
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固体电子学研究与进展
29卷
文中的组织结构如下:第一和第二部分分别描述小数分频频率合成器和提出的分频器结构及MASHl—1—1;第三部分是频率合成器中其他模块的设计;第四部分是测试结果;结论在第五部分。1
小数分频频率合成器结构
传统的锁相环频率合成器由压控振荡器、鉴频
鉴相器、环路滤波器、分频器和参考频率源组成。频
率合成器的输出为fvc()=Ⅳ×^f,其中Ⅳ是整数,用
于改变锁相环的输出频率。而传统的小数分频频率合成器只有Ⅳ和Ⅳ+1两种模式,存在相差的连续累加,相位杂散较严重。为了消除杂散用sigma—delta调制器来控制多模分频器的方案被提出【4。5],这种方案在N不变的情况下,实现N.F时(N为自然数,.F为小数),可直接利用多模分频器多个周期内平均得到,但如果Ⅳ和F都需要大范围内变化,控制比较复杂,对于硬件要求也比较高n.7]。有些方案芯片中集成了RAM,浪费了大量的面积L41;而采用DAC/PFD的方法,更是增加了设计的难度和复杂度[73;还有采用复杂的控制逻辑方案,也增加了电路的开销和设计复杂度[5-6]。基于此,文中提出了一种通过简单控制即可在大范围内实现N和F的变化的小数/整数分频器,如图1所示。实现整数变化时,不同于传统小数分频器通过复杂的编程和控制实现,通过先设计一个[一3,4]宽度为8的不变窗口,变化整数时,只需将窗口的中心位置进行移动,窗口中心位置即为分频的整数部分。小范围内窗口中心位置的移动通过c2、c1、cO来实现,大范围移动则还需要改变计数器B计数值。控制简单,电路复杂度低。
图1
提出的sigma delta频率合成器结构
Fig.1
Structureofimprovedsigma—deltasynthesizer
2
新型多模分频器及MASHl—1—1结构
图2为频率合成器中多模分频器的结构,与传
万方数据
统的一个可编程计数器和一个吞脉冲计数器的结构¨1不同,设计提出了一种新型计数器结构,其中2分频采用传统的SCI。结构,使分频器可以工作到更高的频率上。可编程计数器B是由5个D触发器组成,最大可计数到32,用于大范围的变化Ⅳ值。计数器A有两组3位控制信号6(£)和c(f),用于确定当前周期的分频比和小范围内改变分频比Ⅳ。
图2多模分频器结构
Fig.2
Structureof
multi-modulusdivider
图3提出的计数器A的结构
Fig.3Structureofproposed
counter
A
文中提出的新型计数器A的结构如图3所示,它的主体是由四个T触发器组成的递减计数器。计数器的时钟由M/M+1双模分频器的输出提供。计数器的输出送入检测器,检测器检测到由c2、c1、cO确定的要检测的值后改变输出电平并送入MUX的输入端B。当MC=l时,MUX选择B路信号;当MC=0时,MUX选择A路信号。该计数器通过3个控制位(b2、bl、bO)的逻辑组合来巧妙的控制由四个T触发器组成的计数器,确定当前计数值。l,D是计数器B计数结束后输出给计数器A的重新计数信号,高电平有效;b2、bl、bO为3bits逻辑信号决定着当前周期计数的值,其范围是[一4,3],但由于MASH的控制范围为[一3,4],译码时要把一4译成+4。
MASHl—1—1的译码表和输出的对应情况如表1所示一】。小数分频就是通过[一3,4]这8个整数平均得到。通过MASHl—1一l和多模分频器确定了一个宽度为8的窗121,而窗口的中心位置即为分频比的整数部分。通过c2、cl、c0控制检测器来检测窗口的中心位置,从而实现分频器小范围内整数的变化。这样就
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4期郭桂良等:一种高分辨率艺△小数分频频率合成器
通过比较简单的控制电路来实现大范围的整数/小数分频的变化。经流片验证这种方法分频准确有效。
表1
MASH输出译码表
Tab.1
Codingtableforthe
MASHoutput
为了抑制相位杂散和量化噪声,另外从稳定性,实现复杂度和功耗多方面考虑,设计采用多级噪声整形单元MASHl—1—1控制新型分频器,把低频噪声推向高频方向使噪声落入带外,从而提高相位噪声
性能[10。。下面证明MASHl—1—1可以把噪声搬移到
高频处,满足大多数系统要求。由于MASH结构相对比较成熟,所以这里只做简单推导,来证明其与新型分频器可以很好地配合。图4为MASHl—l—l的数学模型结构图Eg],输入K决定着小数部分的大小,假设输入小数部分为 F(z),而整数部分设为Ⅳ,输出为Ndiv。根据其数学模型进行z变换可以得到:
Ndi,=Y1(Z)+Y2(Z)(1一Z-1)+Y。(1一Z叫)(1一Z_1)一N.F(Z)+(1一Z1)3E。(Z)
(1)
n
图4
MASHl-1—1结构图
Fig.4
Blockdiagramof
MASHI-1一I
其中Y。(Z)表示第行级量化后的输出,E。(Z)表示第n级量化误差。由表达式(2)知输出频率误差函数为:
万方数据
F。。(Z)=[-Ndiv(z)一N.F(z)]Fref=
(1一Z-1)3E3(Z)F一
(2)
广
由于频率和相位之间存在关系:认£)=lco(t)dt=
J
r
r
27rlf(t)dt,在z域中用矩形积分代替Idt得:
J
J
馁,,(Z)一2兀F。,,(Z)丁。/(1一Z_1)=
27【丁,(1--Z一1)2E3(Z)F,f=2,r(1--Z一1)2E3(Z)
(3)
分析表明量化误差经过多级噪声整形单元后,分布近似为伪白噪声,则由式(3)知Z域表示的相位误差的函数功率谱密度为:。S珏。(Z)=12,r(1~Z一12J2S3(Z)=
(27c)2I1一Z.1
4/(12F,一)rad2/Hz(4)
转换到频域得:
S侬。(厂)=I-(2,r)2
2sinOrf/fr。f)I‘3/12Afrad2/s(5)
从式(5)可见噪声经过3阶MASH后把低频噪
声搬到了高频上[gJ¨。图5为新型分频器与MASHl—
1—1联合仿真噪声谱。
图5经过MASHl 1—1后的噪声谱
Fig.5
Noisespectrumsafter
MASHl-1—1
3
频率合成器中其它模块的设计
在这部分将介绍频率合成器中vco、电荷泵、
鉴频鉴相器和环路滤波器的设计。由于鉴频鉴相器和滤波器都是采用比较常规和简单的结构u2以引,在此不作详细说明。
3.1全差分VCO的设计
全差分I,C—VC0可以扩展VCO的调谐范围,并
且减小输入控制信号的共模噪声[2]。为了进一步扩展调谐范围,设计采用开关电容阵列的设计方法。兼顾相位噪声和调谐范围,设计的Kvco约为70MHz/
V。
VCO的结构如图6所示,为了降低1∥噪声,偏
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518
固体电子学研究与进展29卷
置电流由PMOS管来提供。PMOS管M1、M2和NMOS管M3,M4组成交叉耦合对,在较小工作电流的情况下,产生较大的负阻来抵消I。C回路的消耗。变容二极管D1、D2为MOS型变容管,开关电容
阵列采用对称结构。
图6差分LC—VC0的电路图
Fig.6
SchematicofthedifferentialLC-VCO
3.2自校准电荷泵的设计
自校准电荷泵的思想是对输出电流的差取样,利用反馈回路对差值进行调节,最终达到电流差值为0。在电荷泵中引入了完全复制电荷泵电流支路的参考支路,把参考支路节点电压yM和电荷泵电流支路的输出节点电压yc作为放大器的输入,放大器的输出控制偏置电路提供偏置电流,偏置电流的变化会影响上述两个支路的节点电压,形成自校准反馈回路。反馈回路使参考支路和电荷泵电流支路在电特性上保持一致,保证电荷泵的泵出和泵入电流达到较好的匹配,如图7所示。
电荷泵的输出连接PI。I。的环路滤波器,在瞬态特性上yc的电压不会突变。当UP和DN开关分别闭合时.泵入和泵出电流分别为,ur和,DN。当yM>y。时,跨导器G。输出电流,导致偏压ye上升,使,隔.MN:增大,使yM下降。最后结果使VM=Vc;反之,yM<yc时也得到同样的结果。
4
测量结果
设计的3阶sigma—delta小数分频频率合成器用
TSMC0.25弘mCMOS工艺流片,图8为频率合成
器的照片,其面积为1.18
mm×0.525mm(O.6195
万方数据
图7自校准电荷泵的电路图
Fig.7
Schematicofself-calibratedchargepump
mm2)。测量得到其频率输出范围是2.400"一-2.850GHz,比传统小数分频频率合成器工作频率更高,工作范围更宽[1“。在偏离中心频率100kHz和1MHz时,测量的相位噪声分别低于一95dBc/Hz和一120dBc/Hz。频率最小步进小于30Hz,开关时间小于50
ps,满足多数无线通信系统的要求。提出的小数分频频率合成器的相位噪声特性如图9所示。测量结果表明,带内的相位噪声比较平坦。小数分频频率合成
器的频率响应如图10所示。
图8小数分频频率合成器的相片
Fig.8
Microphotographofthefractional-Nsynthesizer
图9小数分频频率合成器在频率为2.743
06280GHz
时的相位噪声特性
Fig.9
Phasenoiseresponseoffractional-Nfrequency
synthesizer
at
2 74306280
GHz
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4期
郭桂良等:一种高分辨率三△小数分频频率合成器
519
●
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2:7i3酊§百F一…一……“1磊n…200+诵;
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kBz
S"eeD241tms(681
pt3)
图10小数分频频率合成器在频率为2.743
06280GHz
频谱特性
Fig.10
Spectrum
response
offractionaI-N
frequency
synthesizer
at
2.74306280GHz
5
结论
提出了一种带有新型分频器的快速稳定、高分辨率的sigma—delta小数分频频率合成器。设计表明不受频率参考频率整数倍和开关速度限制的频率合成器是可以实现的。频率合成器中采用了差分I。C—VCO和自校准电荷泵。经TSMC25工艺流片,测量表明,用于3阶sigma—delta小数分频频率合成器的新型分频器可以工作到4GHz,并且相位噪声特性良好;自校准电荷泵的电流失配小于2%;频率合成器输出范
围2.400
2.850GHz,功耗为9mA(不包括VCO
参
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郭桂良(GUOGuiliang)男,2005年于
北京理工大学电子工程系获学士学位。
期间从事半导体器件的研究;现在中国
科学院微电子研究所电子系统总体技术
研究室攻读博士学位,主要从事模拟和
射频电路的研究。
阎跃鹏(YANYuepeng)男.博士、研究员、博导,中国科学院微电子研究所电子系统总体技术研究室主任。分别于1993
年3月和1998年月获(日本国立)茨城大
学大学院工学部电气电子工学科硕士学
位、信息系统科学工学博士学位。1998年,任内腾电诚町田制作所专家级工程
师兼任研发科长;1999年至2004年NEC
株式会社化合物器件事业部化合物半导体体部领导和从事第三代W—CDMA手机用记频微波集成器件(MMIC)、小型
化微波功率模块(MCM)研究和开发工作;正在开展数字手
持电视、无线传感网射频芯片和卫星导航定位及信号回传的
研究。
buffer),满足多数无线通信系统的要求。
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