Projektiranje fazno frekvencijskog detektora i nabojske pumpe za primjenu u necjelobrojnom sintetizatoru frekvencija

master's thesis

• Title (english): Design of phase-frequency detector and charge pump for fractional-N frequency synthesizer
• Author: Dorian Emanović
• Mentor: Marko Koričić (mentor)
• Committee member: Marko Koričić (predsjednik povjerenstva)
• Committee member: Tomislav Suligoj (član povjerenstva)
• Committee member: Josip Žilak (član povjerenstva)
• Granter: University of Zagreb; Faculty of Electrical Engineering and Computing; Zagreb
• Defense date and country: 2021-07-09, Croatia
• Scientific / art field, discipline and subdiscipline: TECHNICAL SCIENCES; Electrical Engineering

Abstract

Fazno frekvencijski detektor i nabojska pumpa osnovni su blokovi sintetizatora frekvencije koji se najčešće koristi u telekomunikacijskim uređajima. Sintetizator frekvencije je sklop koji generira određeni pojas frekvencija iz jedne referentne frekvencije koja je najčešće dovedena sa stabilnog kristalnog oscilatora. Sklopovi su projektirani za 2 GHz necjelobrojni sintetizator frekvencije. Fazno frekvencijski detektor je digitalni sklop koji uspoređuje faze i frekvencije ulaznih signala te na svome izlazu daje impulse čija širina ovisi o razlici faza ulaznih signala. Izlazni signali fazno frekvencijskog detektora koriste se za upravljanje nabojske pumpe koja ovisno o njima regulira kontrolni napon u niskopropusnom filtru na svome izlazu. Ovisno o iznosu kontrolnog napona naponski upravljani oscilator generira signal određene radiofrekvencije. Za postizanje visoke spektralne čistoće i niskog faznog šuma signala na izlazu korištena je PLL arhitektura s dvije paralelne petlje. Petlja za fino ugađanje frekvencije određuje stabilnost te ima uzak frekvencijski raspon ugađanja dok petlja za grubo ugađanje ne utječe na stabilnost te ima širok frekvencijski raspon ugađanja. Analizirana je nelinearnost fazno frekvencijskog detektora i nabojske pumpe zbog koje dolazi do preslikavanja kvantizacijskog šuma sigma delta modulatora. Kako bi se navedena nelinearnost smanjila u nabojsku pumpu se uvodi DC pomak (engl. DC offeset). Analiziran je fazni šum kojega najviše generira nabojska pumpa za fino ugađanje frekvencije. Nabojska pumpa za grubo ugađanje frekvencije neznatno doprinosi ukupnom šumu zbog upotrebe velikom kondenzatora na svome izlazu. Kako bi se filtrirao kvantizacijski šum sigma delta modulatora projektiran je niskopropusni filtar trećeg reda. Sklopovi su projektirani u programskom alatu Cadence Virtuoso upotrebom 250 nm BiCMOS tehnologije IHP instituta.

Abstract (english)

The phase frequency detector and the charge pump are the basic blocks of the frequency synthesizers that are mostly used in the telecommunications devices. A frequency synthesizer is a circuit that generates a specific frequency band from a single reference frequency that is commonly brought from a stable crystal oscillator. The circuits are designed for a 2 GHz fractional frequency synthesizer. A phase frequency detector is a digital circuit that compares the phases and the frequencies of the input signals and at the output gives a pulses whose width depends on the phase difference of the input signals. The output signals of the phase frequency detector are used to control the charge pumps which regulates the control voltage in the low-pass filter at their output. Depending of the amount of control voltage, a voltage-controlled oscillator generates a signal of a certain radio frequency. To achieve high spectral purity and low phase noise of the signal at the output, a PLL architecture with two parallel loops was used. The fine tuning loop determines the stability and has a narrow tuning frequency range while the coarse tuning loop does not affect the stability and has a wide tuning frequency range. A nonlinearity of the phase frequency and the charge pump due to which the quantization noise of the sigma delta modulator is folded down to low frequencies was analysed. In order to reduce this nonlinearity, a DC offset is introduced into the charge pump. The phase noise generated by the charge pump for the fine tuning the frequency is analyzed. The charge pump for the coarse tuning slightly contributes to the total noise due to the use of a large capacitor at its output. In order to filter quantization noise of the sigma delta modulator, a third-order low-pass filter was designed. The circuits were designed in Cadence Virtuoso software tool using 250 nm BiCMOS technology from the IHP institute.

• Keywords: sintetizator frekvencije; fazno zatvorena petlja; fazno frekvencijski detektor; nabojska pumpa; DC strujni pomak; niskopropusni filtar; nelinearnost; fazni šum
• Keywords (english): frequency synthesizer; phase locked loop; phase frequency detector; charge pump; DC offset; low pass filter; nonlinearity; phase noise
• Language: croatian
• URN:NBN: urn:nbn:hr:168:198950
• Study programme: Title: Electrical Engineering and Information Technology; Study programme type: university; Study level: graduate; Academic / professional title: magistar/magistra inženjer/inženjerka elektrotehnike i informacijske tehnologije (magistar/magistra inženjer/inženjerka elektrotehnike i informacijske tehnologije)
• Type of resource: Text
• File origin: Born digital
• Access conditions: Closed access
• Created on: 2023-01-13 12:11:55