文档介绍：华中科技大学
博士学位论文
Sigma-Delta分数频率合成器研究与设计
姓名:付生猛
申请学位级别:博士
专业:模式识别与智能系统
指导教师:沈绪榜;桑红石
20061031
摘要
频率合成器是无线通信中射频前端的主要构件模块之一,性能直接决定射频接收
机的频率选择性。本文以 3G 通信为应用目标,研究了基于 Sigma-Delta 调制技术的分
数频率合成器的相关问题。
论文首先阐明了采用 Sigma-Delta 调制技术实现分数频率合成器的意义,介绍了
常用来刻画合成器性能的规格参数,以及不同表述形式的具有相同意义的规格参数之
间的联系和转换方法。
Sigma-Delta 调制器内置的非线性使得其理论研究存在困难。在研究一般
Sigma-Delta 调制器的极限环特征和稳定性基础之上,主要研究了适合分数频率合成器
应用的三阶 Sigma-Delta 调制器的极限环特征和稳定性。合成器环路的非线性会将
Sigma-Delta 调制器的输出高频噪声折叠到低频,降低合成器输出带内相位噪声,文中
所提出了加权熵分析方法,能够简单有效判断 Sigma-Delta 调制器对环路非线性的灵
敏程度。
环路滤波器是单片集成频率合成器的面积瓶颈,在研究双路径滤波器和电容值倍
乘技术的基础上,结合二者优点提出了隐式双路径滤波器结构,在减少面积基础上改
善了环路滤波器性能。此外,由于采用跨导增强技术,使得滤波器低频输出噪声性能
和可适用频率范围大大改善。
通过研究相位切换双模预分频器的结构,提出了对相位切换双模预分频器进行改
造直接实现多模分频的方法,采用反向开关策略,消除了分频器的输出毛刺问题,使
得多模分频器更为简单、可靠。
压控振荡器是频率合成器中的关键模块,其相位噪声直接影响合成器的输出相位
噪声。相/频检测器和电荷泵存在许多非理想因素如死区、电流失配等,影响合成器输
出带内噪声,需要对众多改善技术进行比较研究,选择适合本文应用的技术。
为了分析和验证合成器整体性能,需要建立分析模型。文中分别为合成器建立独
立的频域和时域模型。频域模型以 模型为基础,通过扩展使其更具开放性,
除了能分析相位噪声还能分析其它非理想特性的影响,同时还能接受其它仿真器的部
分仿真结果,用以验证整个合成器性能。时域模型采用事件驱动方式建立,破除了仿
真精度和仿真时间之间的矛盾。
为了验证文中研究结论,采用 TSMC MM/RF 1P6M Salicide 工
I
艺设计了验证电路。合成器相位噪声为-******@10KHz、-102.******@100KHz 和
-125.******@1MHz,除了在 100KHz 处稍微偏大外,其它满足要求。频率切换时间大
约为 100μS。芯片面积为 2000μm×2400μm,功耗大约 20mW。
关键词:频率合成器; Sigma-Delta; 加权熵; 多模分频器; 环路滤波器; 相位噪声
II
Abstract
The frequency synthesizer is a key building block of radio frequency front-end for
munications and its performance determines the frequency selectivity of radio
frequency receivers. The fractional frequency synthesizer, which is based on Sigma-Delta
modulation and targeted for munications, is researched in this thesis.
The thesis first illustrates the significance of the application of Sigma-Delta
modulation in the implementation of the fractional frequency synthesizer. Then the general
specification parameters are introduced and the difference and conversion methods among
different definition forms for the same parameter are clarified.
The intr