复旦大学：《微电子学与固体电子学》教学资源（博士学位论文）射频接收机中分数分频频率综合器的研究与设计

图目录 图1-1锁相环型频率综合器基本框图 .1 图2-1整数分频锁相环结构框图 6 图2-2整数分频锁相环线性相位s域模型 6 图2-3常用无源滤波器电路图. 图24三阶环路开环增益波特图 .8 图2-5四阶环路开环增益波特图... ..10 图2-6整数分频锁相环的相位噪声模型..10 图2-7各个模块自身噪声、传递函数及等效到输出的相位噪声 ..12 图2-8小带宽与大带宽对输出相位噪声的影响 .13 图2-9基于△Σ调制器的分数分频锁相环结构框图 .14 图2-10分数分频锁定时参考时钟和分频时钟的工作状态 .14 图2-11一阶△∑调制器.… .16 图2-12MASH1-1-1型△Σ调制器z域模型… ..16 图2-13三阶单环前馈△Σ调制器z域模型 17 图2-14MASH1-1-1型和单环前馈型输出量化噪声比较 18 图2-15△Σ分数分频锁相环的相位噪声模型 19 图2-16小带宽与大带宽对△Σ调制器量化噪声的影响 20 图3-1常见的LC振荡器结构. 21 图3-2振荡器输出频谱和相位噪声… 22 图3-3线性时变的相位噪声模型… 23 图3-4器件噪声到相位噪声的转换.… .24 图3-5MOS管耦合的正交LC压控振荡器.... .26 图3-6变压器耦合的正交LC压控振荡器.26 图3-7使用开关电容扩展的宽带LC压控振荡器 27 图3-8传统的MOS可变电容.28 图3-9改进的-MOS可变电容.… 29 图3-10低噪声高电源抑制的低压降稳压器电路图 .30 图3-11低压降稳压器的仿真结果 .30 图3-12中心抽头差分电感. ..31 图3-13两端口S参数提取端口2短路..… .31 图3-14两端口S参数提取宽口2接反相电压源.. .32 图3-15中心抽头差分电感的集总电路模型.33 图3-16去耦等效的中心抽头差分电感集总电路模型 33 iⅸ

ix 图目录 图 1-1 锁相环型频率综合器基本框图......................................................1 图 2-1 整数分频锁相环结构框图 .............................................................6 图 2-2 整数分频锁相环线性相位 s 域模型...............................................6 图 2-3 常用无源滤波器电路图.................................................................7 图 2-4 三阶环路开环增益波特图 .............................................................8 图 2-5 四阶环路开环增益波特图 ...........................................................10 图 2-6 整数分频锁相环的相位噪声模型 ................................................10 图 2-7 各个模块自身噪声、传递函数及等效到输出的相位噪声.............12 图 2-8 小带宽与大带宽对输出相位噪声的影响......................................13 图 2-9 基于 ΔΣ 调制器的分数分频锁相环结构框图 ...............................14 图 2-10 分数分频锁定时参考时钟和分频时钟的工作状态 .....................14 图 2-11 一阶 ΔΣ 调制器 ........................................................................16 图 2-12 MASH 1-1-1 型 ΔΣ 调制器 z 域模型.........................................16 图 2-13 三阶单环前馈 ΔΣ 调制器 z 域模型............................................17 图 2-14 MASH 1-1-1 型和单环前馈型输出量化噪声比较 ......................18 图 2-15 ΔΣ 分数分频锁相环的相位噪声模型.........................................19 图 2-16 小带宽与大带宽对 ΔΣ 调制器量化噪声的影响..........................20 图 3-1 常见的 LC 振荡器结构 ...............................................................21 图 3-2 振荡器输出频谱和相位噪声........................................................22 图 3-3 线性时变的相位噪声模型 ...........................................................23 图 3-4 器件噪声到相位噪声的转换........................................................24 图 3-5 MOS 管耦合的正交 LC 压控振荡器............................................26 图 3-6 变压器耦合的正交 LC 压控振荡器..............................................26 图 3-7 使用开关电容扩展的宽带 LC 压控振荡器...................................27 图 3-8 传统的 I-MOS 可变电容 .............................................................28 图 3-9 改进的 I-MOS 可变电容 .............................................................29 图 3-10 低噪声高电源抑制的低压降稳压器电路图 ................................30 图 3-11 低压降稳压器的仿真结果 .........................................................30 图 3-12 中心抽头差分电感....................................................................31 图 3-13 两端口 S 参数提取端口 2 短路 .................................................31 图 3-14 两端口 S 参数提取宽口 2 接反相电压源...................................32 图 3-15 中心抽头差分电感的集总电路模型...........................................33 图 3-16 去耦等效的中心抽头差分电感集总电路模型.............................33

图3-17中心抽头等效模型 .34 图3-18中心抽头差分电感的芯片照片 .35 图3-19集总电路等效模型.. .36 图3-20 等效模型与测试结果的比较37 图3-21模型与测试的S11和S21的比较.. .38 图3-221.1GHz变压器耦合正交LC压控振荡器电路图 38 图3-23仿真的振荡波形 .39 图3-241.1GHz正交LC振荡器的芯片照片.… .39 图3-251.042GHz下测试的相位噪声.… .40 图3-26测试的镜像抑制比....... .40 图4-1带有典型无源二阶滤波器的三阶锁相环框图44 图4-2带有典型无源三阶滤波器的四阶锁相环框图. ..45 图4-3传统的开关电容阵列结构.… 46 图4-4提出的开关电容阵列结构.....… 48 图4-5典型的LC压控振荡器频率-电压调谐曲线和调谐增益曲线.50 图4-6宽带1.175-2GHz整数分频频率综合器的框图 ..51 图4-7带有恒定增益和相等子带间隔的宽带LC压控振荡器 .52 图4-8差分电荷泵的电路图 53 图49芯片照片和性能总结 ..54 图4-10测试的16个子带的调谐曲线 .55 图4-111.6GHz振荡频率下仿真与测试相位噪声的比较 55 图4-12测试的相位噪声和3dB环路带宽… 56 图5-1带有粗调谐控制的的典型分数分频频率综合器系统框图 60 图5-2传统的自动频率校正技术.… 61 图5-3多带LC压控振荡器的频率-电压调谐曲线 62 图5-4提出的自动频率校正技术框图........… .63 图5-5从分频比N.F中译出Nec… .63 图5-6自动频率校正的算法流程图....... .64 图5-7改进的4比特二进制搜索算法状态机65 图5-8对VC0时钟直接计数的高速异步计数器. 66 图5-9高速异步计数器控制时序图.… 66 图5-10分配器的电路图… 67 图5-11E-TSPC结构的除2分频器. .67 图5-12E-TSPC结构除2分频器的工作时序图. 68 图5-13异步时钟计数的频率计数误差时序图… 68

x 图 3-17 中心抽头等效模型....................................................................34 图 3-18 中心抽头差分电感的芯片照片..................................................35 图 3-19 集总电路等效模型....................................................................36 图 3-20 等效模型与测试结果的比较......................................................37 图 3-21 模型与测试的 S11和 S21的比较................................................38 图 3-22 1.1GHz 变压器耦合正交 LC 压控振荡器电路图........................38 图 3-23 仿真的振荡波形 .......................................................................39 图 3-24 1.1GHz 正交 LC 振荡器的芯片照片 .........................................39 图 3-25 1.042GHz 下测试的相位噪声...................................................40 图 3-26 测试的镜像抑制比....................................................................40 图 4-1 带有典型无源二阶滤波器的三阶锁相环框图...............................44 图 4-2 带有典型无源三阶滤波器的四阶锁相环框图...............................45 图 4-3 传统的开关电容阵列结构 ...........................................................46 图 4-4 提出的开关电容阵列结构 ...........................................................48 图 4-5 典型的 LC 压控振荡器频率–电压调谐曲线和调谐增益曲线........50 图 4-6 宽带 1.175–2GHz 整数分频频率综合器的框图...........................51 图 4-7 带有恒定增益和相等子带间隔的宽带 LC 压控振荡器.................52 图 4-8 差分电荷泵的电路图 ..................................................................53 图 4-9 芯片照片和性能总结 ..................................................................54 图 4-10 测试的 16 个子带的调谐曲线 ...................................................55 图 4-11 1.6GHz 振荡频率下仿真与测试相位噪声的比较.......................55 图 4-12 测试的相位噪声和 3dB 环路带宽 .............................................56 图 5-1 带有粗调谐控制的的典型分数分频频率综合器系统框图.............60 图 5-2 传统的自动频率校正技术 ...........................................................61 图 5-3 多带 LC 压控振荡器的频率–电压调谐曲线.................................62 图 5-4 提出的自动频率校正技术框图....................................................63 图 5-5 从分频比 N.F 中译出 Ndec...........................................................63 图 5-6 自动频率校正的算法流程图........................................................64 图 5-7 改进的 4 比特二进制搜索算法状态机.........................................65 图 5-8 对 VCO 时钟直接计数的高速异步计数器 ...................................66 图 5-9 高速异步计数器控制时序图........................................................66 图 5-10 分配器的电路图 .......................................................................67 图 5-11 E-TSPC 结构的除 2 分频器......................................................67 图 5-12 E-TSPC 结构除 2 分频器的工作时序图....................................68 图 5-13 异步时钟计数的频率计数误差时序图 .......................................68

图5-14频率计数误差引起的可能计数值… ...69 图5-15两个相邻子带的频率误差范围.70 图5-16频率误差范围的变化趋势图.....… .70 图5-17AFC算法仿真时序图72 图5-18测试的VC0的256个子带的调谐增益和子带间距.......73 图5-19改进和传统AFC的测试的锁定时间比较.… .73 图6-1整数分频锁相环型频率综合器基本框图. .75 图6-2△Σ分数分频锁相环型频率综合器基本框图 .… .75 图6-3基于双模预分频器和脉冲吞计数器的分频器结构 .76 图6-4基于可编程预分频器的分频器结构.. .76 图6-5采用同步4/5预分频器构成的8/9预分频器 77 图6-6相位开关型8/9预分频器… .77 图6-7常用的同步45预分频器电路.79 图6-8同步4/5预分频器的四分频工作时序图...… .79 图6-9同步45预分频器的五分频工作时序图..79 图6-10同步8/9预分频器电路. .80 图6-11同步8/9预分频器的九分频工作时序图 .80 图6-12无尾电流源的CML锁存器电路图 .81 图6-13集成与非门的无尾电流源CML锁存器电路图 .82 图6-14TSPC触发器电路图. 83 图6-15差分转单端电路 83 图6-16被高频时钟同步的分频器 .84 图6-17同步触发器的相位噪声仿真结果 84 图6-18由△Σ调制器控制脉冲吞计数器的分频器 85 图6-19计数器P和S的编码方式.... 86 图6-20分频比从18变化到23的工作时序图. .86 图6-21采用用不同结构的预分频器仿真的相位噪声. 87 图6-224/4.5预分频器电路图....... .88 图6-23414.5预分频器的4.5分频工作时序图…。 .89 图6-244/4.5预分频器4分频模式状态图...… .90 图6-254/4.5预分频器4.5分频模式状态图. 92 图6-26输入频率1.5GHz下的4分频仿真瞬态波形 93 图6-27输入频率1.5GHz下的4.5分频仿真瞬态波形..… .93 图6-28同步触发器电路.… .94 图7-1环路行为级仿真模型. 97 xi

xi 图 5-14 频率计数误差引起的可能计数值 ..............................................69 图 5-15 两个相邻子带的频率误差范围..................................................70 图 5-16 频率误差范围的变化趋势图......................................................70 图 5-17 AFC 算法仿真时序图 ...............................................................72 图 5-18 测试的 VCO 的 256 个子带的调谐增益和子带间距 ..................73 图 5-19 改进和传统 AFC 的测试的锁定时间比较..................................73 图 6-1 整数分频锁相环型频率综合器基本框图......................................75 图 6-2 ΔΣ 分数分频锁相环型频率综合器基本框图 ................................75 图 6-3 基于双模预分频器和脉冲吞计数器的分频器结构 .......................76 图 6-4 基于可编程预分频器的分频器结构.............................................76 图 6-5 采用同步 4/5 预分频器构成的 8/9 预分频器 ...............................77 图 6-6 相位开关型 8/9 预分频器............................................................77 图 6-7 常用的同步 4/5 预分频器电路 ....................................................79 图 6-8 同步 4/5 预分频器的四分频工作时序图......................................79 图 6-9 同步 4/5 预分频器的五分频工作时序图......................................79 图 6-10 同步 8/9 预分频器电路 .............................................................80 图 6-11 同步 8/9 预分频器的九分频工作时序图 ....................................80 图 6-12 无尾电流源的 CML 锁存器电路图 ............................................81 图 6-13 集成与非门的无尾电流源 CML 锁存器电路图 ..........................82 图 6-14 TSPC 触发器电路图.................................................................83 图 6-15 差分转单端电路 .......................................................................83 图 6-16 被高频时钟同步的分频器 .........................................................84 图 6-17 同步触发器的相位噪声仿真结果 ..............................................84 图 6-18 由 ΔΣ 调制器控制脉冲吞计数器的分频器.................................85 图 6-19 计数器 P 和 S 的编码方式........................................................86 图 6-20 分频比从 18 变化到 23 的工作时序图.......................................86 图 6-21 采用用不同结构的预分频器仿真的相位噪声.............................87 图 6-22 4/4.5 预分频器电路图...............................................................88 图 6-23 4/4.5 预分频器的 4.5 分频工作时序图......................................89 图 6-24 4/4.5 预分频器 4 分频模式状态图.............................................90 图 6-25 4/4.5 预分频器 4.5 分频模式状态图..........................................92 图 6-26 输入频率 1.5GHz 下的 4 分频仿真瞬态波形.............................93 图 6-27 输入频率 1.5GHz 下的 4.5 分频仿真瞬态波形..........................93 图 6-28 同步触发器电路 .......................................................................94 图 7-1 环路行为级仿真模型 ..................................................................97

图7-21.2GHz~2.1GHz分数分频频率综合器系统框图 98 图7-38比特256子带的宽带LC压控振荡器.99 图7-4全差分电荷泵. ..100 图7-5采用4/4.5预分频器的分频器。 .100 图7-6全差分三阶无源滤波器..... ..101 图7-7仿真的相位噪声 .101 图7-8电压监视器监测压控电压 .102 图7-9芯片照片… .102 图7-10测试的调谐曲线… ..103 图7-11测试的整数分频相位噪声 ..103 图7-12测试的分数分频相位噪声… .104 图7-13接LDO与接片外电源的测试相位噪声比较 .104 图7-14测试的环路带宽与积分相位误差 .105 图7-15振荡器输出频谱...… .105 图7-16测试的锁定时间.106 xii

xii 图 7-2 1.2GHz~2.1GHz 分数分频频率综合器系统框图.........................98 图 7-3 8 比特 256 子带的宽带 LC 压控振荡器.......................................99 图 7-4 全差分电荷泵...........................................................................100 图 7-5 采用 4/4.5 预分频器的分频器...................................................100 图 7-6 全差分三阶无源滤波器.............................................................101 图 7-7 仿真的相位噪声 .......................................................................101 图 7-8 电压监视器监测压控电压 .........................................................102 图 7-9 芯片照片 ..................................................................................102 图 7-10 测试的调谐曲线 .....................................................................103 图 7-11 测试的整数分频相位噪声 .......................................................103 图 7-12 测试的分数分频相位噪声 .......................................................104 图 7-13 接 LDO 与接片外电源的测试相位噪声比较 ............................104 图 7-14 测试的环路带宽与积分相位误差 ............................................105 图 7-15 振荡器输出频谱 .....................................................................105 图 7-16 测试的锁定时间 .....................................................................106

表目录 表3-1集总电路等效模型中的元件值 .37 表4-1系数a和B的值 50 表4-2宽带频率综合器性能比较与总结.… .56 表5-1AFC性能比较... .74 表6-1预分频器4分频模式下真值表 89 表6-2预分频器4分频模式下真值表. .90 表6-3预分频器4.5分频模式下真值表.91 表6-44分频时三个工艺角下前、后仿真输入频率范围与功耗 94 表6-54.5分频时三个工艺角下前、后仿真输入频率范围与功耗 ..94 表7-1性能总结 ...106 xiⅷ

xiii 表目录 表 3-1 集总电路等效模型中的元件值....................................................37 表 4-1 系数 αi 和 βi 的值 ........................................................................50 表 4-2 宽带频率综合器性能比较与总结 ................................................56 表 5-1 AFC 性能比较............................................................................74 表 6-1 预分频器 4 分频模式下真值表....................................................89 表 6-2 预分频器 4 分频模式下真值表....................................................90 表 6-3 预分频器 4.5 分频模式下真值表.................................................91 表 6-4 4 分频时三个工艺角下前、后仿真输入频率范围与功耗 .............94 表 6-5 4.5 分频时三个工艺角下前、后仿真输入频率范围与功耗 ..........94 表 7-1 性能总结 ..................................................................................106