学校代码：10246 学号：021021053 復旦大婴 博士学位论文 DVB-T接收机中频率综合器的研究 院 系： 微电子学系 专 业： 微电子学与固体电子学 姓 名：何捷 指导教师： 洪志良教授 闵昊教授 完成日期： 2005年4月20日
学校代码： 10246 学 号： 021021053 博 士 学 位 论 文 DVB-T 接收机中频率综合器的研究 院 系： 微电子学系 专 业： 微电子学与固体电子学 姓 名： 何 捷 指 导 教 师： 洪志良 教授 闵昊 教授 完 成 日 期： 2005 年 4 月 20 日
复旦大学博士学位论文 DVB-T接收机中频率综合器的研究 何捷 指导教师： 洪志良 教授 闵昊 教授 指导小组： 洪志良 教授 闵吴 教授 任俊彦 教授 杨莲兴 教授 复旦大学信息科学与工程学院微电子学系
复旦大学博士学位论文 DVB-T 接收机中频率综合器的研究 何 捷 指导教师： 洪志良 教授 闵 昊 教授 指导小组： 洪志良 教授 闵 昊 教授 任俊彦 教授 杨莲兴 教授 复旦大学信息科学与工程学院微电子学系
复旦大学博士学位论文 摘要 本文从应用于数字地面电视广播DVBT接收机中的频率综合器研究为出发点， 首先，简单介绍了DVB-T接收机对频率综合器的性能要求，概括了频率综合器的 结构和分析方法。在此基础上，着重研究了频率综合器的环路参数设计和噪声估计 方法，并采用TSMC0.25 m CMOS工艺设计了一个窄带的频率综合器加以验证。 在环路参数设计方面，本文定量分析了环路参数由于工艺、电压和温度等条件 的变化对整个环路稳定性的影响，并在此基础上，提出了基于稳定性优化的环路参 数设计方法。 在噪声估计方法，建立了对电荷泵等效噪声估算的采样噪声模型，并且进一步 的采用了基于环路的噪声参数模型和基于性能指标的噪声参数模型来估算整个环路 的相位噪声。 在电路设计方面，详细的论述了各个模块的实现方法。研究了差分电荷泵存在 的问题并提出了相应的改进技术，同时依据稳定性分析提出了结构简单的稳定性补 偿电荷泵：另外本文还提出了采用开关阶跃变容器的全差分压控振荡器电路：并研 究总结了低噪声分频器的原理和电路结构。 最后，通过仿真和芯片测试，验证了本文提出的基于稳定性优化的参数设计方 法，以及电荷泵的采样等效噪声模型的准确性和环路噪声估计方法的可行性：也验 证了新电路结构如差分电荷泵及差分压控振荡器的可行性。 论文论述了从频率综合器的系统级参数设计到电路设计的完整流程，在此基础 上，文章最后提出了噪声优化的方法，为进一步的研究工作提供的很好的参考。 关键字：频率综合器，环路稳定性，参数设计，相位噪声，等效噪声模型，噪 声估计，差分电荷泵，差分压控振荡器，分频器，稳定性优化，稳定性补偿，噪声 优化 中图分类号：TN4 IV
复旦大学博士学位论文 IV 摘要 本文从应用于数字地面电视广播 DVB-T 接收机中的频率综合器研究为出发点， 首先，简单介绍了 DVB-T 接收机对频率综合器的性能要求，概括了频率综合器的 结构和分析方法。在此基础上，着重研究了频率综合器的环路参数设计和噪声估计 方法，并采用 TSMC 0.25µm CMOS 工艺设计了一个窄带的频率综合器加以验证。 在环路参数设计方面，本文定量分析了环路参数由于工艺、电压和温度等条件 的变化对整个环路稳定性的影响，并在此基础上，提出了基于稳定性优化的环路参 数设计方法。 在噪声估计方法，建立了对电荷泵等效噪声估算的采样噪声模型，并且进一步 的采用了基于环路的噪声参数模型和基于性能指标的噪声参数模型来估算整个环路 的相位噪声。 在电路设计方面，详细的论述了各个模块的实现方法。研究了差分电荷泵存在 的问题并提出了相应的改进技术，同时依据稳定性分析提出了结构简单的稳定性补 偿电荷泵；另外本文还提出了采用开关阶跃变容器的全差分压控振荡器电路；并研 究总结了低噪声分频器的原理和电路结构。 最后，通过仿真和芯片测试，验证了本文提出的基于稳定性优化的参数设计方 法，以及电荷泵的采样等效噪声模型的准确性和环路噪声估计方法的可行性；也验 证了新电路结构如差分电荷泵及差分压控振荡器的可行性。 论文论述了从频率综合器的系统级参数设计到电路设计的完整流程，在此基础 上，文章最后提出了噪声优化的方法，为进一步的研究工作提供的很好的参考。 关键字：频率综合器，环路稳定性，参数设计，相位噪声，等效噪声模型，噪 声估计，差分电荷泵，差分压控振荡器，分频器，稳定性优化，稳定性补偿，噪声 优化 中图分类号：TN4
复旦大学博士学位论文 Abstract The purpose of the thesis is to research the fully integrated frequency synthesizer suitable for terrestrial digital video broadcasting(DVB-T)receiver.First,the thesis introduces the specification of synthesizers for DVB-T and summaries the common analysis methods and structure of synthesizers. Then,the research focuses on the analysis methods for loop parameters design and noise estimation, and the test chip of a narrow band synthesizer was manufactured with TSMC 0.25um CMOS technology to verify the analysis. In the part of loop parameters design,the influence on loop stability of parameters variations caused by process,voltage and temperature(PVT)etc is quantitively analyzed.Based on the analysis, the method of parameters design with stability optimization is proposed. In the part of noise estimation,the new sampling equivalent noise model for charge pump is proposed,and the block noise estimation based on the loop parameters or the design specification is suggested to estimate the whole loop noise. In the part of circuits design,the practical circuits including innovations are exhaustively discussed.The improving techniques on the differential charge pump are proposed,and the simple stability compensation method is also proposed based on the stability analysis.The fully differential VCO with new switch-varactor is also proposed.The principle and structure for low-noise divider is also theoretically analyzed and concluded. Finally,through the simulation and chip test,the proposed parameter design method based on stability analysis and optimization is verified,and the proposed sampling-equivalent noise model for charge pump and the method for noise estimation is also verified.Additionally,the novel circuits such as differential charge pump and VCO are validated. In general,the thesis discusses the method and complete procedure from system parameter design to circuits design for frequency synthesizers.At the end of the paper,the optimization method for noise optimization is discussed,which is the good reference for further research. Key words:frequency synthesizer,loop stability,phase noise,parameter design,equivalent noise model,noise estimation,differential charge pump,differential VCO,frequency divider,stability optimization,stability compensation,noise optimization. CLC number:TN4 V
复旦大学博士学位论文 V Abstract The purpose of the thesis is to research the fully integrated frequency synthesizer suitable for terrestrial digital video broadcasting (DVB-T) receiver. First, the thesis introduces the specification of synthesizers for DVB-T and summaries the common analysis methods and structure of synthesizers. Then, the research focuses on the analysis methods for loop parameters design and noise estimation, and the test chip of a narrow band synthesizer was manufactured with TSMC 0.25µm CMOS technology to verify the analysis. In the part of loop parameters design, the influence on loop stability of parameters variations caused by process, voltage and temperature (PVT) etc is quantitively analyzed. Based on the analysis, the method of parameters design with stability optimization is proposed. In the part of noise estimation, the new sampling equivalent noise model for charge pump is proposed, and the block noise estimation based on the loop parameters or the design specification is suggested to estimate the whole loop noise. In the part of circuits design, the practical circuits including innovations are exhaustively discussed. The improving techniques on the differential charge pump are proposed, and the simple stability compensation method is also proposed based on the stability analysis. The fully differential VCO with new switch-varactor is also proposed. The principle and structure for low-noise divider is also theoretically analyzed and concluded. Finally, through the simulation and chip test, the proposed parameter design method based on stability analysis and optimization is verified, and the proposed sampling-equivalent noise model for charge pump and the method for noise estimation is also verified. Additionally, the novel circuits such as differential charge pump and VCO are validated. In general, the thesis discusses the method and complete procedure from system parameter design to circuits design for frequency synthesizers. At the end of the paper, the optimization method for noise optimization is discussed, which is the good reference for further research. Key words: frequency synthesizer, loop stability, phase noise, parameter design, equivalent noise model, noise estimation, differential charge pump, differential VCO, frequency divider, stability optimization, stability compensation, noise optimization. CLC number：TN4
复旦大学博士学位论文 前言 研究背景 数字电视广播技术随着数字通信技术的迅猛发展也臻渐成熟。自从上世纪九十 年代以来，欧洲电信标准研究院ETSI(Europe Telecommunication Standard Institue)最 先提出数字电视标准DVB系列，随后美国和日本也相继出台了各自的数字电视标 准。而我国也于2000年成立了数字电视标准化工作组，展开未来数字电视标准的制 定工作。从全世界范围内来看，欧洲的数字电视标准已经被大部分地区所采用，并 且其中的卫星数字广播DVB-S和有线数字广播DVB-C两个标准也成为了我国广播 业事实上的准标准。就目前情况看来，我国的地面无线数字电视广播标准还正在争 论之中，而候选热门标准之一DMB-T[1]采用的技术与DVB-T[2]比较接近，都是基 于了OFDM技术。在电视调谐器（即射频接收机）部分，DVB-T和DMB-T对性能指 标的要求也基本一致，所以本文就暂以成熟的标准DVBT为切入点。 DVB-T是ETSI提出的地面无线数字广播标准。由于地面无线广播的信道复杂 性，及电视信号的高信噪比要求，使得电视调谐器的噪声性能要求很高。就目前而 言，全集成的调谐器也是工业界和学术界研究的热点，而其中的难点之一就是如何 实现全集成的低噪声频率综合器。 目前能达到调谐器性能指标的频率综合器芯片都是采用双极或者是BiCMOS工 艺实现的，而且需要较多的片外元器件。而如何用CMOS工艺实现满足调谐器性能 的全集成频率综合器面临着诸多的挑战，至少存在着两个方面的问题。首先，集成 的元器件会受工艺参数的影响发生改变，不能像片外元器件那么进行很方便的调整， 从而会对频率综合器的性能产生影响：其次，CMOS器件本身的高噪声使得低噪声 频率综合器设计没有采用双极器件那么容易，需要进行诸多方面的特别是噪声方面 的优化考虑。所以本论文将从频率综合器的稳定性优化和噪声优化进行研究，尝试 用CMOS工艺实现满足DVB-T接收机性能的全集成频率综合器。 论文的主要工作和贡献 论文的主要工作和贡献包括： 1)研究和总结了在DVB-T接收机中对频率综合器的性能要求，特别是相位噪声 的性能指标。 2)在三阶闭环环路模型的基础上，推导了环路参数设计的流程，并且首次定量
复旦大学博士学位论文 前言 研究背景 数字电视广播技术随着数字通信技术的迅猛发展也臻渐成熟。自从上世纪九十 年代以来，欧洲电信标准研究院 ETSI(Europe Telecommunication Standard Institue)最 先提出数字电视标准 DVB 系列，随后美国和日本也相继出台了各自的数字电视标 准。而我国也于 2000 年成立了数字电视标准化工作组，展开未来数字电视标准的制 定工作。从全世界范围内来看，欧洲的数字电视标准已经被大部分地区所采用，并 且其中的卫星数字广播 DVB-S 和有线数字广播 DVB-C 两个标准也成为了我国广播 业事实上的准标准。就目前情况看来，我国的地面无线数字电视广播标准还正在争 论之中，而候选热门标准之一 DMB-T[1]采用的技术与 DVB-T[2]比较接近，都是基 于了 OFDM 技术。在电视调谐器(即射频接收机)部分，DVB-T 和 DMB-T 对性能指 标的要求也基本一致，所以本文就暂以成熟的标准 DVB-T 为切入点。 DVB-T 是 ETSI 提出的地面无线数字广播标准。由于地面无线广播的信道复杂 性，及电视信号的高信噪比要求，使得电视调谐器的噪声性能要求很高。就目前而 言，全集成的调谐器也是工业界和学术界研究的热点，而其中的难点之一就是如何 实现全集成的低噪声频率综合器。 目前能达到调谐器性能指标的频率综合器芯片都是采用双极或者是 BiCMOS 工 艺实现的，而且需要较多的片外元器件。而如何用 CMOS 工艺实现满足调谐器性能 的全集成频率综合器面临着诸多的挑战，至少存在着两个方面的问题。首先，集成 的元器件会受工艺参数的影响发生改变，不能像片外元器件那么进行很方便的调整， 从而会对频率综合器的性能产生影响；其次，CMOS 器件本身的高噪声使得低噪声 频率综合器设计没有采用双极器件那么容易，需要进行诸多方面的特别是噪声方面 的优化考虑。所以本论文将从频率综合器的稳定性优化和噪声优化进行研究，尝试 用 CMOS 工艺实现满足 DVB-T 接收机性能的全集成频率综合器。 论文的主要工作和贡献 论文的主要工作和贡献包括： 1) 研究和总结了在 DVB-T 接收机中对频率综合器的性能要求，特别是相位噪声 的性能指标。 2) 在三阶闭环环路模型的基础上，推导了环路参数设计的流程，并且首次定量 1