28-39GHz连续整数分频PLL的研究与设计
发布时间：2020-07-01 00:22
【摘要】：随着5G技术的快速发展,CMOS集成电路进入了毫米波阶段,因此适用于高速系统的宽带毫米波锁相环(PLL)频率综合器成为研究热点和难点。尽管随着CMOS集成电路的小尺寸化,器件的特征频率在增加,使得器件满足高频设计要求。但同时供电电压的降低,导致器件的漏电流和噪声等非理想特性变得更加显著,使PLL系统在高频、宽带和低相位噪声设计之间产生了复杂的折衷关系。本文围绕这一热点和难点,研究并设计了一种28-39GHz连续整数分频的PLL系统并加以仿真验证。PLL系统通常包括鉴频鉴相器(PFD)、电荷泵(CP)、环路滤波器(LPF)、压控振荡器(VCO)和分频器。由于在宽带调频VCO设计中,通常采用多组开关电容实现多个调频区间,因此为加快系统锁定速度,本文设计了一种快速锁定调频区间模块,以并行处理的方式使系统在分频比控制位发生变化时,快速、精准地锁定到距离目标频率最近的调频区间。相比于传统处理模块,本文设计的快速锁定调频区间模块不需要对每一个调频区间进行依次扫描计算,也不需要增加电路区分均包含目标频率的两个相邻调频区间的精确度。本文基于1.1V电源供电的GPDK 45nm CMOS工艺实现28-39GHz连续整数分频PLL系统的设计。其中,PFD的输入参考频率为100MHz,鉴相范围约为±1.88π,消除鉴相死区时间约为158ps;CP在0.1-1V的输出电压范围内充放电电流约为100μA,充放电电流失配小于0.1%;LPF基于三阶无源低通滤波器实现,带宽约为输入参考频率100MHz的1/10,以使PLL系统在相位分析时可近似为线性系统;VCO基于电感电容式压控振荡器(LC-VCO),采用比特位控制的开关电容获得8个等间距等增益的调频区间,实现宽带调频,总调频范围约为27-40GHz以使PLL系统稳定工作在28-39GHz的目标频段,并采用调频增益补偿电路、二次谐波抑制电路和旁路电容滤波电路,优化VCO的相位噪声性能;可编程分频器采用高速可编程连续多模分频器,以由前级缓冲器和后级直接注入锁定分频器构成的高速二分频器作为输入级,结合16相位8分频器和相位切换技术实现15/16双模预分频,并结合可置数计数器(PS计数器)实现以1为步进的270-400连续整数分频。本文最终实现的连续整数分频PLL系统的输入参考频率为100MHz,调频范围为28-39GHz,调频百分比约为32.8%,工作电流约为58mA,在输出信号频率为39GHz时,相位噪声约为-106dBc/Hz@10MHz。
【学位授予单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN74;TN432
【图文】：
压控逡逑振荡器逡逑图２－１传统ＰＬＬ系统典型结构逡逑图２－１所示ＰＬＬ的另一局限性在于输出信号频率是输入参考信号频率的复逡逑制，即在给定输入参考信号后，该系统输出信号的频率固定不可调；若需要改变逡逑输出信号频率，则需通过调整或更换晶振以改变输入参考频率实现，且可获得的逡逑频率范围严重受限，显然不符合系统的集成化设计和低成本设计要求。因此，通逡逑常采用图２－２所示的ＰＬＬ系统，该系统又称为电荷泵型ＰＬＬ系统ｍ。相比于图逡逑２－１所示的ＰＬＬ系统，该系统增加了可编程分频器，以使ＰＬＬ系统以输入参考逡逑信号为基准，产生一系列具有不同频率的输出信号，很大程度上增加了邋ＰＬＬ系逡逑统的实用价值和适用范围：此外，采用鉴频鉴相器替换鉴相器，以同时实现鉴频逡逑鉴相功能
分量和噪声，从而抑制ＰＬＬ带内噪声。将其相域线性近似模型记为Ｚｓ。逡逑根据以上各模块的线性近似数学模型，可得到ＰＬＬ系统在ｓ域上的连续线逡逑性近似模型，如图２－３所示［１１＿２Ｕ。逡逑６ｉｎ（ｓ）邋／＾ＴＮ邋Ｏｅ（ｓ）逦６ｏｕｔ（ｓ）逡逑—Ｋｐｄ邋—？逦Ｚｓ逦——？邋Ｋｖｃｏ／Ｓ邋逦逦逡逑＋邋八邋＿逦逦邋逦逡逑0Ｊｂ（ｓ）逡逑逦邋１／Ｎ逦＜逦逡逑图２－３邋ＰＬＬ系统ｓ域连续线性近似模型逡逑当断开ＰＬＬ系统反馈环路时，可得到其开环传递函数为逡逑Ｈ邋，一、如（ｓ）逦，，逦７邋Ｋｖｃｏ邋１逦…逡逑Ｈ0ｉｓ）邋＝邋ｅ－＾邋＝邋ＫｐＤ＇Ｚｓ￣－Ｎ逦（２＇１０）逡逑当ＰＬＬ系统闭环工作时，其闭环传递函数为［１１＿２１］：逡逑”广、＿邋l挘埃酰簦ǎ螅╁澹咤危ⅲ埃ǎ担╁危垮澹保薄㈠义希龋ǎ螅剑欤剩罚В蓿颍龋埃ǎ螅五危ǎ玻撸欤欤╁义嫌墒剑ǎ玻保埃┖停ǎ玻保保┛芍校蹋袒仿繁旧砭哂幸唤椎屯ㄌ匦裕嵩诨仿仿隋义喜ㄆ鞔浜幕∩希胍桓鑫挥谠愕募恪ｅ义希玻玻菜嗷肺榷ㄐ苑治鲥义细萆弦恍〗诟龅模校蹋滔咝越颇Ｐ鸵约翱贰⒈栈反莺芍族义舷龋校蹋袒仿纷陨硪氲奈挥谠愕募悖沟茫校蹋袒仿返慕资然仿仿瞬ㄆ麇义辖资咭唤祝黄浯
本文编号：2736026
【学位授予单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN74;TN432
【图文】：
压控逡逑振荡器逡逑图２－１传统ＰＬＬ系统典型结构逡逑图２－１所示ＰＬＬ的另一局限性在于输出信号频率是输入参考信号频率的复逡逑制，即在给定输入参考信号后，该系统输出信号的频率固定不可调；若需要改变逡逑输出信号频率，则需通过调整或更换晶振以改变输入参考频率实现，且可获得的逡逑频率范围严重受限，显然不符合系统的集成化设计和低成本设计要求。因此，通逡逑常采用图２－２所示的ＰＬＬ系统，该系统又称为电荷泵型ＰＬＬ系统ｍ。相比于图逡逑２－１所示的ＰＬＬ系统，该系统增加了可编程分频器，以使ＰＬＬ系统以输入参考逡逑信号为基准，产生一系列具有不同频率的输出信号，很大程度上增加了邋ＰＬＬ系逡逑统的实用价值和适用范围：此外，采用鉴频鉴相器替换鉴相器，以同时实现鉴频逡逑鉴相功能
分量和噪声，从而抑制ＰＬＬ带内噪声。将其相域线性近似模型记为Ｚｓ。逡逑根据以上各模块的线性近似数学模型，可得到ＰＬＬ系统在ｓ域上的连续线逡逑性近似模型，如图２－３所示［１１＿２Ｕ。逡逑６ｉｎ（ｓ）邋／＾ＴＮ邋Ｏｅ（ｓ）逦６ｏｕｔ（ｓ）逡逑—Ｋｐｄ邋—？逦Ｚｓ逦——？邋Ｋｖｃｏ／Ｓ邋逦逦逡逑＋邋八邋＿逦逦邋逦逡逑0Ｊｂ（ｓ）逡逑逦邋１／Ｎ逦＜逦逡逑图２－３邋ＰＬＬ系统ｓ域连续线性近似模型逡逑当断开ＰＬＬ系统反馈环路时，可得到其开环传递函数为逡逑Ｈ邋，一、如（ｓ）逦，，逦７邋Ｋｖｃｏ邋１逦…逡逑Ｈ0ｉｓ）邋＝邋ｅ－＾邋＝邋ＫｐＤ＇Ｚｓ￣－Ｎ逦（２＇１０）逡逑当ＰＬＬ系统闭环工作时，其闭环传递函数为［１１＿２１］：逡逑”广、＿邋l挘埃酰簦ǎ螅╁澹咤危ⅲ埃ǎ担╁危垮澹保薄㈠义希龋ǎ螅剑欤剩罚В蓿颍龋埃ǎ螅五危ǎ玻撸欤欤╁义嫌墒剑ǎ玻保埃┖停ǎ玻保保┛芍校蹋袒仿繁旧砭哂幸唤椎屯ㄌ匦裕嵩诨仿仿隋义喜ㄆ鞔浜幕∩希胍桓鑫挥谠愕募恪ｅ义希玻玻菜嗷肺榷ㄐ苑治鲥义细萆弦恍〗诟龅模校蹋滔咝越颇Ｐ鸵约翱贰⒈栈反莺芍族义舷龋校蹋袒仿纷陨硪氲奈挥谠愕募悖沟茫校蹋袒仿返慕资然仿仿瞬ㄆ麇义辖资咭唤祝黄浯
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