Cristin-resultat-ID: 300352
Sist endret: 21. oktober 2013, 12:13
Resultat
Doktorgradsavhandling
2003

Nested Loop Radio Frequency Synthesizers

Bidragsytere:
  • Mikael Hammer

Utgiver/serie

Utgiver

[Mangler utgivernavn]

Om resultatet

Doktorgradsavhandling
Publiseringsår: 2003
Antall sider: 214
ISBN: 82-471-5567-2

Importkilder

Bibsys-ID: r03012249

Beskrivelse Beskrivelse

Tittel

Nested Loop Radio Frequency Synthesizers

Sammendrag

This thesis describes how PLL frequency synthesizers with cascaded and nested loop topologies can be used for the synthesis of low noise high frequency signals. Briefly explained, synthesizers with cascaded/nested loops combines a broadband PLL and a narrowband PLL. The broadband PLL makes it possible to obtain a low phase noise even from a relatively noisy VCO with an integrated resonator. The narrowband PLL, on the other hand, makes it possible to tune the output signal with a high frequency resolution. A necessary building block of this kind of synthesizer is a low frequency VCO having low noise. The thesis describes how this kind of VCO could be implemented by the use of low loss external resonator components and by employing tank enhancement for additional noise suppression. Tank enhancement is obtained by the use of centre tapped capacitors in order to reduce the tank impedance. A consequence of tank enhancement is that the transconductance of the gain element must be increased. The Clapp oscillator can be regarded as a Colpitts oscillator with enhanced tank. The thesis describes some of the properties of a Clapp oscillator. The oscillator is analysed both according to an idealized model and by a more detailed model small signal diagram including parasitics. The thesis also includes an analysis of oscillator noise due to noise sources in the transistor. Measurements of the phase noise for a few different oscillator configurations indicates that tank enhancement can indeed be used to suppress the phase noise. Attempts to model the oscillator in Agilent ADS does, however, indicate that the combination of simulated currents and postprocessing by the use of an analytical model gives far too pessimistic excess noise factors. The thesis also describes the design and evaluation of two fully integrated VCOs implemented in 0.35 um CMOS. One of the VCOs had an operating frequency around 5.8 GHz. This VCO was also used as a building block of an experimental broadband PLL synthesizer having a target loop bandwidth of 25 MHz. Due to the large variations in VCO gain as a function of frequency, the PLL had a very narrow locking range. Limitations in the measurement setup also made it impossible to evaluate the phase noise performance of the PLL. The other VCO had an operating frequency around 2.4 GHz and was designed with multiple parallel tuning elements. This configuration could be used to reduce the variations and magnitude of the VCO gain and to make the VCO less sensitive to noise from the charge pump or loop filter, while still maintaining a wide frequency tuning range. Another benefit of multiple tuning inputs would be that the variations in feedback tuning voltage could be reduced. This would reduce the mismatch between the source current and sink current of the charge pump and give a reduction of the reference spur level.

Sammendrag

Avhandlingen beskriver hvordan PLL-baserte frekvenssyntetisatorer med kaskadekoblede og nestede topologier kan brukes for syntese av signal med lav støy og høy frekvens. Syntetisatorer med kaskadekoblede/nestede sløyfer er en kombinasjon av en bredbåndet PLL og en smalbåndet PLL. Den bredbåndete PLL gjør det mulig å erholde lav fasestøy selv fra en relativt støyete VCO med integrert resonator. Den smalbåndete PLL, på den annen side, gjør det mulig å tune utsignalet med høy frekvensoppløsning. Et nødvendig byggeblokk for denne type syntetisator er eb lavfrekvens-VCO med lav støy. Avhandlingen beskriver hvordan denne type VCO kan implementeres ved bruk av eksterne resonatorkomponenter med lave tap og ved bruk av såkalt "tank enhancement". Tank enhancement erholdes ved bruk av sentertappede kondensatorer for å senke tankimpedansen. En konsekvens av tank enhancement er at gainelementets transkonduktans må økes. En Clapp-oscillator kan betraktes som en Colpitts-oscillator med tank enhancement. Avhandlingen beskriver noen av egenskapene ved en Clapp-oscillator. Analysen av oscillatoren utføres både ved en idealisert modell og en mere detaljert småsignal-modell som også inkluderer parasittiske elementer. Avhandlingen inkluderer også en analyse av bidrag til oscillatorens støy fra støykilder i transistoren. Målinger av fasestøyen for en rekke ulike oscillatorkonfigurasjoner antyder at tank enhancement kan brukes for å redusere fasestøyen. Forsøk å modellere oscillatoren i Agilent ADS gir imidlertid altfor pessimistiske resultater m.h.p. støy fra transistoren. Avhandlingen beskriver også konstruksjon og evaluering av to helintegrerte VCOer implementert i 0.35 um CMOS. En av VCOene hadde en frekvens på ca. 5.8 GHz. Denne VCO ble også brukt som et byggeblokk i en bredbåndet PLL med en båndbredde på 25 MHz. Grunnet store variasjoner i tunefølsomhet som funksjon av frekvens så hadde denne PLL svært snevert låseområde. Begrensninger i måleoppsett og instrumenter gjorde det også umulig å måle fasestøyen til denne PLL. Den andre VCOen hadde en frekvens på ca. 2.4 GHz og hadde flere parallelle tuneelementer. Denne konfigurasjon skulle kunne brukes for å senke variasjon og magnitude til tunefølsomheten og for å gjøre VCOen mindre følsom for støy fra PLLens ladningspumpe eller sløyfefilter, uten å redusere frekvenstuneområdet. En ytterligere fordel med multiple tuneinnganger er at variasjonene i den kontrollspenning som brukes for å opprettholde faselås skulle kunne reduseres. Dette ville kunne redusere ulikheter mellom kildestrøm og senkestrøm fra ladningspumpen og gien reduksjon av referansespurnivået.

Bidragsytere

Per Birger Mikael Hammer

Bidragsyterens navn vises på dette resultatet som Mikael Hammer
  • Tilknyttet:
    Forfatter
    ved Fakultet for informasjonsteknologi og elektroteknikk ved Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet
1 - 1 av 1