應用于無線區域網路的頻率綜合器設計
- 前言
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- 頻率綜合器簡介
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前言
本文主要内容是對頻率綜合器或稱為PLL 做出簡單介紹，為課程設計部分章節内容，後需給出各部分的設計方案，以及測試結果。
頻率綜合器簡介
無線收發系統中的**頻率綜合器（Frequency Synthesizer，FS）**子產品是影響無線收發系統信号品質的一個重要因素，擔負着為系統提供高精度、高穩定度頻率的任務。頻率綜合器常見的結構有如下三種：直接模拟頻率合成器（Direct Analog Synthesis，DAS）、鎖相環頻率合成器（Phase-Locked Loops，PLL）以及直接數字頻率合成器（Direct Digital Synthesizers，DDS）。
最典型的鎖相環頻率合成器是電荷泵鎖相環頻率綜合器（Charge-Pump Phase-Locked Loop, CPPLL），它具有工作頻率高、相位噪聲好、頻譜純度高、低功耗、易于內建等優點，是現今應用範圍最廣泛的頻率合成方式。如下圖4-1-1所示，本次所設計的電荷泵鎖相環頻率綜合器主要由如下子產品組成：鑒頻鑒相器（Phase Frequency Detector，PFD）、電荷泵（Charge Pump，CP）、壓控振蕩器（Voltage Controlled Oscillator，VCO）、環路濾波器（Loop Filter，LPF）和分頻器（Divider，DIV） 。
各個子產品互相連接配接構成一個環路，其工作過程為如下：
在環路的左端，輸入信号 f r e f f_{ref} fref 和回報信号 f d i v f_{div} fdiv 被同時輸入到 PFD 中，PFD 探測到它們的相位差，并以電壓信号的形式輸出到下一級，電壓的大小與相位差成正比；
CP将PFD的輸出離散電壓轉變成對後級LPF的充放電流，電流大小與電壓值成正比；
CP 對 LPF 中的電容充放電使得 LPF 的輸出電壓 V c t r V_{ctr} Vctr大小産生變化，VCO 的輸出頻率與 V_{ctr} 大小成正比，當 V c t r V_{ctr} Vctr 發生變化時， f o u t f_{out} fout亦随之改變；
分頻器對 VCO 的輸出頻率進行N次分頻後得到與 f r e f f_{ref} fref 進行比較的 f d i v f_{div} fdiv 信号，當環路鎖定時，有如下關系式：
其相位的線性模型可用下圖4-1-21來表示：
PFD 和 CP 電路子產品是完成輸入信号與壓控振蕩器輸出信号之間相位差到電壓的轉換。PFD 比較輸入信号的相位 θ i θ_i θi 與回報信号的相位 θ f b 0 θ_{fb0} θfb0 的相位，得到相位差 θ e θ_e θe，再通過CP把這個相位差 θ e θ_e θe 轉化為正或負的輸出電流，進而實作對環路濾波器的充放電。當 CP 的充放電電流值大小為 I c p I_{cp} Icp 時，線性相位模型為：
環路濾波器的功能是将 PFD 和 CP 産生的代表相位差的充放電電流轉換成電壓 V C V_C VC，這個電壓就是壓控振蕩器的控制電壓。這個電壓的變化将控制壓控振蕩器的輸出頻率發生變化。設環路濾波器的傳遞函數為 Z ( s ) Z(s) Z(s)，是以環路濾波器的輸出，也就是壓控振蕩器輸入端電壓的表達式為：
壓控振蕩器是頻率受電壓控制的振蕩器，控制電壓和 VCO 輸出頻率之間的關系通常用壓控振蕩器的壓控增益 K v c o K_{vco} Kvco 來表示。即：
但在 PLL 線性相位系統中的變量是相位，又因為瞬時角頻率是其相位對時間的倒數，是以 VCO 輸出信号的瞬時相位為：
是以在 s 域中，時域上的積分就是增加一個 s=0 的極點。在壓控振蕩器的線性化相位模型表達式為：
環路分頻器對VCO的輸出相位 θ o θ_o θo 進行N分頻後回報到PFD的輸入端并且得到回報相位 θ f b θ_{fb} θfb：
綜上，可以得到圖4.2所示的線性相位模型的相位傳輸函數：
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各部分連結連結：
鑒頻鑒相器（PFD）設計 連結：【模拟內建電路】鑒頻鑒相器設計（Phase Frequency Detector，PFD）
電荷泵（CP）設計 連結：【模拟內建電路】電荷泵（CP）設計
壓控振蕩器（VCO）設計 連結：【模拟內建電路】寬擺幅壓控振蕩器（VCO）設計
環路濾波器（LPF）設計 連結：【模拟內建電路】環路濾波器(LPF)設計
分頻器（DIV_TSPC）設計 連結：【模拟內建電路】分頻器（DIV_TSPC）設計