Dipl.-Ing. Niels Christoffers :

Entwurf Sigma-Delta-PLL-basierter Frequenzgeneratoren höherer Ordnung für drahtlose digitale Kommunikationssysteme

Dissertation angenommen durch: Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fachbereich Ingenieurwissenschaften, Abteilung Elektrotechnik und Informationstechnik, 2004-11-17

BetreuerIn: Prof. Ph. D. Bedrich J. Hosticka , Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fachbereich Ingenieurwissenschaften, Abteilung Elektrotechnik und Informationstechnik

GutachterIn: Prof. Ph. D. Bedrich J. Hosticka , Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fachbereich Ingenieurwissenschaften, Abteilung Elektrotechnik und Informationstechnik, Fachgebiet Mikroelektronische Schaltungen und Systeme
GutachterIn: Prof. Dr.-Ing. Stefan Heinen , Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (RWTH) Aachen, Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, Lehrstuhl für Integrierte Analogschaltungen und Institut für Halbleitertechnik

Schlüsselwörter in Deutsch: Frequenzgenerator, LO, Phasenregelkreis, PLL, Sigma-Delta, Fractional-N, Einschwingzeit, Ausregelzeit, Phasenrauschen, Nebenaussendungen, Nebenbandaussendungen, Nebenwellen, Numerik, Optimierung, NLO, Modellierung, Schleifenfilter, Biquad, Gm-C-Filter, hohe Ordnung, Leistungsaufnahme, Leistungsverbrauch, Energieverbrauch, monolithisch
Schlüsselwörter in Englisch: Frequency Synthesizer, LO, Phase-locked loop, PLL, Sigma Delta, Fractional-N, settling time, transient time, phase noise, spurious emissions, spurious tones, fractional spurs, numerical optimization, NLO, modelling, modeling, loop filter, Gm-C-Filter, high order, power consumption, energy consumption, monolithic, single-chip

  
   
 Klassifikation     
    MSC Primary: 94C99
MSC Secondary: 94-01
Sachgruppe der DNB: 620 Ingenieurwissenschaften
  
   
 Abstrakt     
   

Abstrakt in Deutsch

Phasenregelkreis- (oder PLL-) basierte Frequenzgeneratoren erzeugen die in heutigen monolithischen drahtlosen Transceivern benötigten Referenzschwingungen, mit deren Hilfe Signale im Frequenzbereich zu hohen oder zu niedrigen Frequenzen hin verschoben werden. Die modernen Kommunikationsstandards, wie Bluetooth oder GSM, erfordern dabei möglichst nebenbandaussendungsarme Schwingungen. Außerdem müssen die Frequenzgeneratoren bei einem erforderlichen Wechsel der Trägerfrequenz sehr schnell mit hoher Genauigkeit einschwingen. Zur Erfüllung dieser Anforderungen häufig verwendete, so genannte PLL-basierte Sigma-Delta-Fractional-N-Frequenzgeneratoren leisten das Gewünschte. Bei ihrem Entwurf sind aber die Anzahl und Lage der Pole des Regelkreises und damit des Schleifenfilters geeignet festzulegen. Dabei sind nicht nur Durchtrittsffrequenz und Phasenreserve, sondern auch die hohe erforderliche Frequenzgenauigkeit und die genauen Entstehungsechanismen der Nebenbandaussendungen zu berücksichtigen. Die in dieser Arbeit vorgeschlagenen Entwurfsmethodik beruht auf der Verwendung numerischer Optimierungsverfahren, einer hohen Anzahl der Pole des Regelkreises und dem Einsatz von Gm-C-Biquads als Baublöcke im Schleifenfilter.

Abstrakt in Englisch

Today's wireless transceivers require reference signals to translate received and transmitted signals to their desired frequencies. Therefore, they need frequency synthesizers which are typically based on phase-locked-loops (PLLs). Communication standards like GSM or Bluetooth necessiate that the PLLs put out oscillations with high spectral purity and accuracy. Additionally, the oscillation frequency must be adjustable very accurately at low transient time to account for occasional carrier frequency changes. So called Sigma-Delta-fractional-N frequency synthesizers are often employed to fulfil these requirements. However, the number and the locations of the poles of the control loop and hence the loop filter must be chosen properly. Unity gain frequency and phase margin have to be considered as well as the stringent frequency accuracy and the detailed origin of the spurious emissions. The design methodology proposed in this work is based on numerical optimization techniques, a high number of control loop poles and the use of Gm-C-biquads as loop filter building blocks.