宽锁定范围锁相环频率合成器稳定特性研究

Stability is a critical issue for the application of frequency synthesizers. The common design method suggested by Best and et al., which neglects or deals with non-ideal factors approximately, can only provide the basic understanding for narrow band phase-locked loop (PLL) systems. However, in practice, especially in the wide band application, the parameters of the system change as the variety of the dividing ratio. In addition, many non-ideal factors, such as the loop delay, may affect the stability of the system significantly. Therefore the stability analysis based on above theory will have a serious deviation..This project bases on fundermantal principles of the automatic control theory. According to the behavioral characteristics of the circuit blocks, we will explore the change of the system parameters and their impact on the stability in the wide band condition. By studying the delay in the feedback loop, an apropriate and more accurate z-domain model for the fractional delay will be proposed, and its effect on the stability of the system will be evaluated quantitatively. Furthermore, we will present a systematic method to forecast the stability limit of the wide locking range frequency synthesizers. The reserch is innovative, and the achievement will be helpful to improve the performance of the frequency synthesizer, and promote its application.

稳定性是确保频率合成器实用化的关键。目前一般采用的Best锁相环频率合成器设计方法仅适用窄带系统，对于各种非理想因素采取了忽略或近似的处理手段。但在实际情况中，特别是在宽频率范围应用条件下，系统参数随分频值变化较大，延迟等非理想因素亦会对系统稳定性产生较大的影响，根据上述理论所得的稳定性分析结果将出现严重误差。.本项目基于自动控制理论的基本原理，结合电路模块的行为特点，深入考察宽频率范围下系统参数的变化及其对稳定性的影响；通过分析环路延迟的来源，研究小数延迟在离散域合理精确的描述方式，定量评估环路延迟对锁相环频率合成器稳定性的恶化作用；进而形成预测宽锁定范围频率合成器系统稳定范围的系统方法，指导频率合成器优化设计。本项目研究具有创新性，将为进一步提升频率合成器产品性能，增强实用性提供指导。

基于锁相环结构的频率合成器以其工作频率高、输出相位噪声低等优越特性成为无线通信应用中的首选方案。对于锁相环频率合成器而言，输出频率范围和稳定性是一对相互制约的重要性能指标。.结合大量文献分析，项目组对频率合成器的系统级设计以及稳定性问题展开了研究。首先从系统级角度出发对PLL的数学模型进行了重点研究。项目组提出了一种离散域分析模型，并通过建立MATLAB Simulink行为级模型，对系统离散域分析的准确性进行了验证。通过仿真发现，本项目所提出的离散模型，始终保持着PFD的采样特性，可以有效的反映出系统的离散特性。在预测频率合成器系统特性时更加精确，还能更准确地预测系统的稳定性，特别是对系统的稳定范围的研究很有帮助。.此外，项目组还对频率合成器系统的噪声特性进行了研究，分析了系统的带内噪声与带外噪声的决定因素。根据之前建立的系统模型，计算出各个噪声源的传输函数，并对其传输特性进行了仿真。.在之前系统级以及稳定性、噪声研究基础之上，项目组完成了三款频率合成器和一款锁相环的设计，工作频率分别为1.25~2.35GHz、2.45~2.75GHz、0.1~1.2GHz和220MHz。.宽带频率合成器系统的稳定性受到电路设计参数的制约，包括VCO宽调谐范围带来的KVCO过大或者变化过大、分频器分频模值变化范围大、相位噪声差、杂散性能差、无源电容面积大等问题。在进行宽带VCO设计时，一种设计是将频段划分成几个相邻的子频段，采用VCO阵列结构，这样可将VCO增益控制到合理的值、不存在起振问题，频率合成器的杂散和相位噪声性能相应也会得到优化。另一种方法是在环外利用分频器进行再次分频来得到所需频段。而对于频率范围比较窄的频率合成器，则采用普通的电荷泵锁相环结构即可满足要求。.所有电路设计工作基于新加坡Global Foundry的Chartered 0.18um CMOS RF工艺进行并完成了部分设计的MPW流片，完成了相应测试方案的设计和测试环境的搭建以及芯片的测试和分析。经过芯片测试，基本上可以验证系统和电路设计的可行性，设计指标已经基本实现，达到了调谐范围、相位噪声的系统要求。.项目期间已发表论文4篇，已录用待发表论文3篇。已发表论文中有4篇EI检索，3篇SCI检索。已录用待发表论文中有1篇为SCI和EI双检索源期刊论文。申请发明专利1项，培养硕士研究生5人。