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2.4GHz宽环路带宽分数分频频率综合器研究与设计

作　者: 成诗伟
导　师: 周电
学　校: 复旦大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 恒定包络调制 频率综合器闭环调制 频率综合器 宽环路带宽 量化噪声 LC-VCO 自动频率校正
分类号: TN74
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


和基于混频器的发射机相比,基于频率综合器闭环调制的发射机更适用于恒定包络调制的通信系统。该架构的发射机不需要混频器,同时可以使用非线性的功率放大器,大大降低了功耗,但数据传输率受到频率综合器环路带宽的限制。本论文针对频率综合器闭环调制发射机中的数据传输率和频率综合器环路带宽之间的矛盾,研究了宽环路带宽的分数分频频率综合器的设计,主要工作如下：回顾了基于开环相位裕度的环路滤波器的设计方法以及锁相环型频率综合器的相位噪声建模,阐述了△Σ调制器结构以及量化噪声。分析了由于鉴频鉴相器和电荷泵的非线性引起的高频量化噪声的折叠现象,采用偏移鉴频鉴相器使电荷泵工作在线性区域来减小高频量化噪声的折叠。在分数分频频率综合器中,为了抑制整形后的量化噪声,满足相位噪声的要求,通常选取较小的环路带宽。因此为了在满足相位噪声要求的前提下,增大环路带宽,必须要消除量化噪声的影响。回顾了量化噪声消除的方法,分析了高阶△Σ量化噪声的特性,在消除累加器量化噪声的PFD/DAC混合结构的基础上,提出了消除高阶△Σ量化噪声的PFD/DAC混合结构。研究了片上全集成的LC型振荡器的设计,包括片上电感的设计,可变电容的选择以及增加输出频率范围和提高调谐增益线性度的开关电容阵列的设计。设计了一款带有4比特开关电容阵列的LC型压控振荡器。仿真的输出频率范围是4.2-5.4GHz,并当开关电容的控制比特位是1111时,在1MHz频偏处的相位噪声是-119 dBc/Hz。同时还设计了闭环自动频率校正电路,在环路锁定的情况下,压控振荡器的控制电压在0.8-1.2V之间。设计并仿真了一个环路带宽为500KHz的带有量化噪声消除结构的宽环路带宽频率综合器的环路,包括了修改后的偏移鉴频鉴相器、电荷泵电流支路、环路滤波器、多模反馈分频电器、三阶误差反馈△Σ调制器的设计。频率综合器的整体仿真表明：频率综合器可以输出2.1-2.7GHz的I/Q两路正交信号,最小频率步长约为16Hz。频率的切换时间小于8us,表明环路带宽约为500KHz。在1MHz频偏处的相位噪声为—110.9dBc/Hz,达到了设计指标要求。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-7
第一章 前言  7-15
  1.1 研究背景  7-8
  1.2 频率综合的方法  8-9
  1.3 电荷泵锁相环型频率综合器  9-12
    1.3.1 整数分频频率综合器  9-10
    1.3.2 分数分频频率综合器  10-12
  1.4 宽环路带宽频率综合器的研究现状  12
  1.5 本论文中的频率综合器的设计指标  12-13
  1.6 本论文主要工作以及创新贡献  13-14
  1.7 论文的组织结构  14-15
第二章 锁相环型频率综合器建模与非线性分析  15-42
  2.1 频率综合器的相位域模型  15-16
  2.2 环路滤波器参数的选择  16-22
    2.2.1 二阶无源环路滤波器的设计  17-20
    2.2.2 三阶无源环路滤波器的设计  20-22
  2.3 环路相位噪声分析以及建模  22-27
    2.3.1 相位噪声与相位功率谱密度  22-24
    2.3.2 环路相位噪声建模  24-27
  2.4 模块的噪声模型  27-37
    2.4.1 压控振荡器相位噪声  27-28
    2.4.2 电荷泵电流噪声  28-29
    2.4.3 环路滤波器的噪声  29-31
    2.4.4 △Σ调制器的量化噪声  31-36
    2.4.5 其他模块的噪声  36-37
    2.4.6 △∑分数分频频率综合器的总体输出相位噪声  37
  2.5 环路的非线性分析  37-41
  2.6 本章小结  41-42
第三章 宽环路带宽频率综合器的研究  42-53
  3.1 宽环路带宽与性能指标的关系  42-45
    3.1.1 环路带宽与切换时间  42-43
    3.1.2 环路带宽与相位噪声  43-45
  3.2 量化噪声的消除  45-52
    3.2.1 量化噪声的减小  45-46
    3.2.2 基于数模转换器(DAC)的量化噪声消除技术  46-48
    3.2.3 基于PFD/DAC混合结构的的量化噪声消除技术  48-50
    3.2.4 提出的消除高阶△∑量化噪声的PFD/DAC混合结构  50-52
  3.3 本章小结  52-53
第四章 低噪声电容电感压控振荡器的设计  53-70
  4.1 振荡电路的基本原理  53-54
  4.2 LC型振荡器结构  54-56
  4.3 电容电感压控振荡器的调谐范围  56-57
  4.4 电容电感压控振荡器设计  57-68
    4.4.1 片上螺旋电感的设计  57-60
    4.4.2 MOS可变电容的设计  60-62
    4.4.3 开关电容阵列的设计  62-64
    4.4.4 压控振荡器的设计  64-66
    4.4.5 高速除2预分频器设计  66-68
  4.5 自动频率校正电路的设计  68-69
  4.6 本章小结  69-70
第五章 2.4GHz分数分频频率综合器的环路设计  70-85
  5.1 频率综合器的系统架构  70-71
  5.2 修改的偏移鉴频鉴相器设计  71-72
  5.3 电荷泵单元电流支路的设计  72-76
    5.3.1 电荷泵的非理想效应分析  72-74
    5.3.2 电荷泵的结构分析  74
    5.3.3 电荷泵单元电流支路设计  74-76
  5.4 多模分频电路的设计  76-79
  5.5 三阶无源环路滤波器的设计  79-80
  5.6 三阶误差反馈△∑调制器的设计  80-81
  5.7 环路锁定特性的仿真  81-83
  5.8 频率综合器的物理实现  83-84
  5.9 本章小结  84-85
第六章 结论和展望  85-87
参考文献  87-92
攻读学位期间发表的论文  92-93
致谢  93-94

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 基本电子电路 > 频率合成技术、频率合成器
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