一種面向高精度鎖相環的小數分頻器設計*

袁陳博 許雯婷 魏國梁 郭鵬飛

摘要：高精度的電路對鎖相環的輸出頻率在精度、帶寬、速度以及功耗上提出了更高的要求。本文使用對偶式的2/3分頻器搭建可以實現等占空比的多模可編程分頻器，來實現2～2-1的任意整數分頻，再通過改進的MASH2-1-1的∑-△調制器實現信號更高精度的小數分頻的輸出，此外在∑-△調制器的設計上本文還利用偽隨機序列發生器，在保證精度的情況下給∑-△調制器加上一定的抖動，從而優化整體電路的噪聲搬移性能。

關鍵詞：小數分頻器;多模分頻器;MASH 2-1-1結構∑-△調制器;偽隨機序列發生器

中圖分類號：TN772文獻標志碼：A

1小數分頻器的電路結構

1.1整體結構

圖1所示的電路圖為該設計小數分頻器的整體結構，由連續可編程整數分頻器以及∑-△調制器組成。當VCO的輸出進入初始預置的可編程分頻器完成M分頻之后，在調制器電路的控制下實現M-3到M+4的隨機分頻。從而在一定周期內的平均意義上實現M.f的小數分頻比。

1.2可編程分頻器

由2/3雙模分頻器級聯而成的可編程分頻器在解決小分頻比輸入時會引起占空比不穩定，本文提出了解決傳統2/3分頻器在3分頻時無法實現等占空比問題的設計方案。由2/3分頻器可以搭建實現2～2-1的任意整數分頻，具體電路圖如圖2所示，為實現2～2-1的任意整數分頻輸出，我們需要鉗制最后一級2/3分頻器的modi輸人為“1”。根據對2/3分頻器的邏輯功能分析，我們可以知道，在modi=1，P=1時，該分頻器實際上吞咽（swal10w）Tfi的一個周期。當有n個2/3分頻器級聯時，整體電路分頻模的最小值為2，最大值為2加上最大吞咽的周期數。而最大吞咽周期數為1+2+4+…+2-1=2-1。便可以得出這樣分頻模的最大值為2+1-1。

然而上述可編程分頻器的模值范圍過窄，同時分頻后的信號占空比不理想，很難把控。在上述級聯搭建可編程分頻器的方法基礎上，解決以上問題必須改進2/3分頻器單元。

對于等占空比問題，可以采用“錯位相或”的策略得到等占空比的三分頻信號。實際上實現向下拓展分頻比的方法比較容易，根據上述實現2～2+1-1可編程分頻器的電路特點可知，只要在原電路中加入一定的門電路使得后級的2/3分頻器不工作即可。因此可以在每一級的2/3分頻器modi輸入端加入或門“截斷”后面的電路。其原理如下，若第m級cut[]=1且前級cut端為0，則MMD模值便在2～2-1之間，以此類推，便可以實現連續整數分頻。這樣便可以通過控制截斷信號輸入端cut來實現MMD向下拓展分頻。最后將改良的2/3分頻器按圖3級聯便可以得到性能強大的可編程分頻器。

如果沖擊響應為h（t）=e，則對于輸入來說，就是通過一個低通濾波器。但是對于量化噪聲而言，由于分子上還乘上了一個s，量化噪聲密度會隨著頻移的增加而逐漸加大，這樣在低頻處，量化噪聲就會得到一定的抑制。因此在環路有用的頻帶內，量化噪聲的功率就變得很小，從而大大改善了信噪比。

在實際的應用中一階調制器很少使用，為了達到良好的噪聲整形效果和隨機化增加輸出的序列長度，本文設計一種改進的MASH2-1-1結構，如圖5所示。其結構主要有4個EFM和誤差消除電路組成。其中MASH2-1-1的EFM由16bit加法器和比較器組成。

其工作原理如下：該電路可以分為三級，第一級由加法器和比較器組成，第二、三級由16位加法器以及寄存器構成。第一級溢出的那個周期，分頻比變成，第一級輸出的余數輸入第二級加法器，溢出的那一周期變為分頻，延遲一個周期后變為N分頻，第二級輸出的余數輸入第三級，溢出的那一個周期進行分頻，延遲一個周期后變成分頻，再延遲一個單元后變成N分頻。以此在每個調制的參考周期內，分頻比在N-3到N+4變化。從而抑制小數雜散，使得在環路帶寬內產生較少量的噪聲。同時考慮到分頻器精度的提高，本文在第一級加法器上又添加了一層精度可調層，其結構仍然與第一級的第一層類似。但是在位寬上可以比第一層有所減少。本設計把第二層的溢出值輸入到第一層加法器的進位端，從而實現精調。

式3即為傳統的MASHl-1-1結構的分頻比（DR），

可見改進電路的精度可以實現成倍的提升。此外改進后的電路可以在加法器位數不變的情況下提高分頻的精度。

1.3.2 偽隨機數列發生器

可見，整體的偽隨機序列發生器由D觸發器及異或門組成。圖中Z一是反饋系數，其數值只可以是0或1，表示該反饋路徑是否存在。當D觸發器的個數增多時，輸出的序列就會更具有隨機性。

2仿真與驗證

在仿真方面本文使用veri10g以及simulink仿真工具，在小數分頻的整體搭建上，本文采用veri10g HDL語言描述并仿真。測試電路中設置32.5分頻，其波形圖如圖7所示。

可見，輸出值在-3～4之間變化，通過matlab的圖形數據統計工具，得出信號圖右側的統計數據，可以看到其小數部分平均值非常接近0.5，可見隨著時間的推移，真實值總會無限逼近理想值。

3 總結

本設計中面向高精度鎖相環的小數分頻結構在一定程度上易于實現且極大地提高了分頻的精度，而且其分頻后信號的占空比可以十分接近50%，但是該小數分頻器的功耗相對傳統結構的三階MASH結構的功耗較高。相信小數分頻器的功耗會在日后的研究中得到改善。