【摘要】：隨著5G技術(shù)的快速發(fā)展,CMOS集成電路進(jìn)入了毫米波階段,因此適用于高速系統(tǒng)的寬帶毫米波鎖相環(huán)(PLL)頻率綜合器成為研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。盡管隨著CMOS集成電路的小尺寸化,器件的特征頻率在增加,使得器件滿足高頻設(shè)計(jì)要求。但同時(shí)供電電壓的降低,導(dǎo)致器件的漏電流和噪聲等非理想特性變得更加顯著,使PLL系統(tǒng)在高頻、寬帶和低相位噪聲設(shè)計(jì)之間產(chǎn)生了復(fù)雜的折衷關(guān)系。本文圍繞這一熱點(diǎn)和難點(diǎn),研究并設(shè)計(jì)了一種28-39GHz連續(xù)整數(shù)分頻的PLL系統(tǒng)并加以仿真驗(yàn)證。PLL系統(tǒng)通常包括鑒頻鑒相器(PFD)、電荷泵(CP)、環(huán)路濾波器(LPF)、壓控振蕩器(VCO)和分頻器。由于在寬帶調(diào)頻VCO設(shè)計(jì)中,通常采用多組開關(guān)電容實(shí)現(xiàn)多個(gè)調(diào)頻區(qū)間,因此為加快系統(tǒng)鎖定速度,本文設(shè)計(jì)了一種快速鎖定調(diào)頻區(qū)間模塊,以并行處理的方式使系統(tǒng)在分頻比控制位發(fā)生變化時(shí),快速、精準(zhǔn)地鎖定到距離目標(biāo)頻率最近的調(diào)頻區(qū)間。相比于傳統(tǒng)處理模塊,本文設(shè)計(jì)的快速鎖定調(diào)頻區(qū)間模塊不需要對每一個(gè)調(diào)頻區(qū)間進(jìn)行依次掃描計(jì)算,也不需要增加電路區(qū)分均包含目標(biāo)頻率的兩個(gè)相鄰調(diào)頻區(qū)間的精確度。本文基于1.1V電源供電的GPDK 45nm CMOS工藝實(shí)現(xiàn)28-39GHz連續(xù)整數(shù)分頻PLL系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。其中,PFD的輸入?yún)⒖碱l率為100MHz,鑒相范圍約為±1.88π,消除鑒相死區(qū)時(shí)間約為158ps;CP在0.1-1V的輸出電壓范圍內(nèi)充放電電流約為100μA,充放電電流失配小于0.1%;LPF基于三階無源低通濾波器實(shí)現(xiàn),帶寬約為輸入?yún)⒖碱l率100MHz的1/10,以使PLL系統(tǒng)在相位分析時(shí)可近似為線性系統(tǒng);VCO基于電感電容式壓控振蕩器(LC-VCO),采用比特位控制的開關(guān)電容獲得8個(gè)等間距等增益的調(diào)頻區(qū)間,實(shí)現(xiàn)寬帶調(diào)頻,總調(diào)頻范圍約為27-40GHz以使PLL系統(tǒng)穩(wěn)定工作在28-39GHz的目標(biāo)頻段,并采用調(diào)頻增益補(bǔ)償電路、二次諧波抑制電路和旁路電容濾波電路,優(yōu)化VCO的相位噪聲性能;可編程分頻器采用高速可編程連續(xù)多模分頻器,以由前級緩沖器和后級直接注入鎖定分頻器構(gòu)成的高速二分頻器作為輸入級,結(jié)合16相位8分頻器和相位切換技術(shù)實(shí)現(xiàn)15/16雙模預(yù)分頻,并結(jié)合可置數(shù)計(jì)數(shù)器(PS計(jì)數(shù)器)實(shí)現(xiàn)以1為步進(jìn)的270-400連續(xù)整數(shù)分頻。本文最終實(shí)現(xiàn)的連續(xù)整數(shù)分頻PLL系統(tǒng)的輸入?yún)⒖碱l率為100MHz,調(diào)頻范圍為28-39GHz,調(diào)頻百分比約為32.8%,工作電流約為58mA,在輸出信號頻率為39GHz時(shí),相位噪聲約為-106dBc/Hz@10MHz。
【學(xué)位授予單位】：天津工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN74;TN432
【圖文】：

壓控逡逑振蕩器逡逑圖２－１傳統(tǒng)ＰＬＬ系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)逡逑圖２－１所示ＰＬＬ的另一局限性在于輸出信號頻率是輸入?yún)⒖夹盘栴l率的復(fù)逡逑制，即在給定輸入?yún)⒖夹盘柡�，該系統(tǒng)輸出信號的頻率固定不可調(diào)；若需要改變逡逑輸出信號頻率，則需通過調(diào)整或更換晶振以改變輸入?yún)⒖碱l率實(shí)現(xiàn)，且可獲得的逡逑頻率范圍嚴(yán)重受限，顯然不符合系統(tǒng)的集成化設(shè)計(jì)和低成本設(shè)計(jì)要求。因此，通逡逑常采用圖２－２所示的ＰＬＬ系統(tǒng)，該系統(tǒng)又稱為電荷泵型ＰＬＬ系統(tǒng)ｍ。相比于圖逡逑２－１所示的ＰＬＬ系統(tǒng)，該系統(tǒng)增加了可編程分頻器，以使ＰＬＬ系統(tǒng)以輸入?yún)⒖煎义闲盘枮榛鶞?zhǔn)，產(chǎn)生一系列具有不同頻率的輸出信號，很大程度上增加了邋ＰＬＬ系逡逑統(tǒng)的實(shí)用價(jià)值和適用范圍：此外，采用鑒頻鑒相器替換鑒相器，以同時(shí)實(shí)現(xiàn)鑒頻逡逑鑒相功能

分量和噪聲，從而抑制ＰＬＬ帶內(nèi)噪聲。將其相域線性近似模型記為Ｚｓ。逡逑根據(jù)以上各模塊的線性近似數(shù)學(xué)模型，可得到ＰＬＬ系統(tǒng)在ｓ域上的連續(xù)線逡逑性近似模型，如圖２－３所示［１１＿２Ｕ。逡逑６ｉｎ（ｓ）邋／＾ＴＮ邋Ｏｅ（ｓ）邐６ｏｕｔ（ｓ）逡逑—Ｋｐｄ邋—？邐Ｚｓ邐——？邋Ｋｖｃｏ／Ｓ邋邐邐逡逑＋邋八邋＿邐邐邋邐逡逑0Ｊｂ（ｓ）逡逑邐邋１／Ｎ邐＜邐逡逑圖２－３邋ＰＬＬ系統(tǒng)ｓ域連續(xù)線性近似模型逡逑當(dāng)斷開ＰＬＬ系統(tǒng)反饋環(huán)路時(shí)，可得到其開環(huán)傳遞函數(shù)為逡逑Ｈ邋，一、如（ｓ）邐，，邐７邋Ｋｖｃｏ邋１邐…逡逑Ｈ0ｉｓ）邋＝邋ｅ－＾邋＝邋ＫｐＤ＇Ｚｓ￣－Ｎ邐（２＇１０）逡逑當(dāng)ＰＬＬ系統(tǒng)閉環(huán)工作時(shí)，其閉環(huán)傳遞函數(shù)為［１１＿２１］：逡逑”廣、＿邋l挘埃酰簦ǎ螅╁澹咤危ⅲ埃ǎ擔(dān)╁�？邋１１、辶x希齲ǎ螅劍歟剩罰В蓿潁齲埃ǎ螅五危ǎ玻擼歟歟╁義嫌墑劍ǎ玻保埃┖停ǎ玻保保┛芍�，ＰＬＬ环路迸f砭哂幸喚椎屯ㄌ匭�，会哉煼路滤辶x喜ㄆ鞔浜幕∩�，引入一个螕]讜愕募�。辶x希玻玻菜嗷肺榷ㄐ苑治鰣義細(xì)萆弦恍〗詬齙模校蹋滔咝越頗Ｐ鴕約翱貳⒈棧反鶯芍�，首辶x舷齲校蹋袒仿紛隕硪氳奈揮讜愕募�，蕼厦ＰＬＬ环路的劫Y然仿仿瞬ㄆ麇義轄資咭喚祝黃浯

本文編號：2736026