寬鎖定範圍鎖相環頻率合成器穩定特性研究

《寬鎖定範圍鎖相環頻率合成器穩定特性研究》是依託南開大學，由劉艷艷擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：寬鎖定範圍鎖相環頻率合成器穩定特性研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：劉艷艷
• 依託單位：南開大學

中文摘要

穩定性是確保頻率合成器實用化的關鍵。目前一般採用的Best鎖相環頻率合成器設計方法僅適用窄帶系統，對於各種非理想因素採取了忽略或近似的處理手段。但在實際情況中，特別是在寬頻率範圍套用條件下，系統參數隨分頻值變化較大，延遲等非理想因素亦會對系統穩定性產生較大的影響，根據上述理論所得的穩定性分析結果將出現嚴重誤差。.本項目基於自動控制理論的基本原理，結合電路模組的行為特點，深入考察寬頻率範圍下系統參數的變化及其對穩定性的影響；通過分析環路延遲的來源，研究小數延遲在離散域合理精確的描述方式，定量評估環路延遲對鎖相環頻率合成器穩定性的惡化作用；進而形成預測寬鎖定範圍頻率合成器系統穩定範圍的系統方法，指導頻率合成器最佳化設計。本項目研究具有創新性，將為進一步提升頻率合成器產品性能，增強實用性提供指導。

結題摘要

基於鎖相環結構的頻率合成器以其工作頻率高、輸出相位噪聲低等優越特性成為無線通信套用中的首選方案。對於鎖相環頻率合成器而言，輸出頻率範圍和穩定性是一對相互制約的重要性能指標。 結合大量文獻分析，項目組對頻率合成器的系統級設計以及穩定性問題展開了研究。首先從系統級角度出發對PLL的數學模型進行了重點研究。項目組提出了一種離散域分析模型，並通過建立MATLAB Simulink行為級模型，對系統離散域分析的準確性進行了驗證。通過仿真發現，本項目所提出的離散模型，始終保持著PFD的採樣特性，可以有效的反映出系統的離散特性。在預測頻率合成器系統特性時更加精確，還能更準確地預測系統的穩定性，特別是對系統的穩定範圍的研究很有幫助。 此外，項目組還對頻率合成器系統的噪聲特性進行了研究，分析了系統的帶內噪聲與帶外噪聲的決定因素。根據之前建立的系統模型，計算出各個噪聲源的傳輸函式，並對其傳輸特性進行了仿真。 在之前系統級以及穩定性、噪聲研究基礎之上，項目組完成了三款頻率合成器和一款鎖相環的設計，工作頻率分別為1.25~2.35GHz、2.45~2.75GHz、0.1~1.2GHz和220MHz。 寬頻頻率合成器系統的穩定性受到電路設計參數的制約，包括VCO寬調諧範圍帶來的KVCO過大或者變化過大、分頻器分頻模值變化範圍大、相位噪聲差、雜散性能差、無源電容面積大等問題。在進行寬頻VCO設計時，一種設計是將頻段劃分成幾個相鄰的子頻段，採用VCO陣列結構，這樣可將VCO增益控制到合理的值、不存在起振問題，頻率合成器的雜散和相位噪聲性能相應也會得到最佳化。另一種方法是在環外利用分頻器進行再次分頻來得到所需頻段。而對於頻率範圍比較窄的頻率合成器，則採用普通的電荷泵鎖相環結構即可滿足要求。 所有電路設計工作基於新加坡Global Foundry的Chartered 0.18um CMOS RF工藝進行並完成了部分設計的MPW流片，完成了相應測試方案的設計和測試環境的搭建以及晶片的測試和分析。經過晶片測試，基本上可以驗證系統和電路設計的可行性，設計指標已經基本實現，達到了調諧範圍、相位噪聲的系統要求。 項目期間已發表論文4篇，已錄用待發表論文3篇。已發表論文中有4篇EI檢索，3篇SCI檢索。已錄用待發表論文中有1篇為SCI和EI雙檢索源期刊論文。申請發明專利1項，培養碩士研究生5人。