一种面向高精度锁相环的小数分频器设计*

袁陈博 许雯婷 魏国梁 郭鹏飞

摘要：高精度的电路对锁相环的输出频率在精度、带宽、速度以及功耗上提出了更高的要求。本文使用对偶式的2/3分频器搭建可以实现等占空比的多模可编程分频器，来实现2～2-1的任意整数分频，再通过改进的MASH2-1-1的∑-△调制器实现信号更高精度的小数分频的输出，此外在∑-△调制器的设计上本文还利用伪随机序列发生器，在保证精度的情况下给∑-△调制器加上一定的抖动，从而优化整体电路的噪声搬移性能。

关键词：小数分频器;多模分频器;MASH 2-1-1结构∑-△调制器;伪随机序列发生器

中图分类号：TN772文献标志码：A

1小数分频器的电路结构

1.1整体结构

图1所示的电路图为该设计小数分频器的整体结构，由连续可编程整数分频器以及∑-△调制器组成。当VCO的输出进入初始预置的可编程分频器完成M分频之后，在调制器电路的控制下实现M-3到M+4的随机分频。从而在一定周期内的平均意义上实现M.f的小数分频比。

1.2可编程分频器

由2/3双模分频器级联而成的可编程分频器在解决小分频比输入时会引起占空比不稳定，本文提出了解决传统2/3分频器在3分频时无法实现等占空比问题的设计方案。由2/3分频器可以搭建实现2～2-1的任意整数分频，具体电路图如图2所示，为实现2～2-1的任意整数分频输出，我们需要钳制最后一级2/3分频器的modi输人为“1”。根据对2/3分频器的逻辑功能分析，我们可以知道，在modi=1，P=1时，该分频器实际上吞咽（swal10w）Tfi的一个周期。当有n个2/3分频器级联时，整体电路分频模的最小值为2，最大值为2加上最大吞咽的周期数。而最大吞咽周期数为1+2+4+…+2-1=2-1。便可以得出这样分频模的最大值为2+1-1。

然而上述可编程分频器的模值范围过窄，同时分频后的信号占空比不理想，很难把控。在上述级联搭建可编程分频器的方法基础上，解决以上问题必须改进2/3分频器单元。

对于等占空比问题，可以采用“错位相或”的策略得到等占空比的三分频信号。实际上实现向下拓展分频比的方法比较容易，根据上述实现2～2+1-1可编程分频器的电路特点可知，只要在原电路中加入一定的门电路使得后级的2/3分频器不工作即可。因此可以在每一级的2/3分频器modi输入端加入或门“截断”后面的电路。其原理如下，若第m级cut[]=1且前级cut端为0，则MMD模值便在2～2-1之間，以此类推，便可以实现连续整数分频。这样便可以通过控制截断信号输入端cut来实现MMD向下拓展分频。最后将改良的2/3分频器按图3级联便可以得到性能强大的可编程分频器。

如果冲击响应为h（t）=e，则对于输入来说，就是通过一个低通滤波器。但是对于量化噪声而言，由于分子上还乘上了一个s，量化噪声密度会随着频移的增加而逐渐加大，这样在低频处，量化噪声就会得到一定的抑制。因此在环路有用的频带内，量化噪声的功率就变得很小，从而大大改善了信噪比。

在实际的应用中一阶调制器很少使用，为了达到良好的噪声整形效果和随机化增加输出的序列长度，本文设计一种改进的MASH2-1-1结构，如图5所示。其结构主要有4个EFM和误差消除电路组成。其中MASH2-1-1的EFM由16bit加法器和比较器组成。

其工作原理如下：该电路可以分为三级，第一级由加法器和比较器组成，第二、三级由16位加法器以及寄存器构成。第一级溢出的那个周期，分频比变成，第一级输出的余数输入第二级加法器，溢出的那一周期变为分频，延迟一个周期后变为N分频，第二级输出的余数输入第三级，溢出的那一个周期进行分频，延迟一个周期后变成分频，再延迟一个单元后变成N分频。以此在每个调制的参考周期内，分频比在N-3到N+4变化。从而抑制小数杂散，使得在环路带宽内产生较少量的噪声。同时考虑到分频器精度的提高，本文在第一级加法器上又添加了一层精度可调层，其结构仍然与第一级的第一层类似。但是在位宽上可以比第一层有所减少。本设计把第二层的溢出值输入到第一层加法器的进位端，从而实现精调。

式3即为传统的MASHl-1-1结构的分频比（DR），

可见改进电路的精度可以实现成倍的提升。此外改进后的电路可以在加法器位数不变的情况下提高分频的精度。

1.3.2 伪随机数列发生器

可见，整体的伪随机序列发生器由D触发器及异或门组成。图中Z一是反馈系数，其数值只可以是0或1，表示该反馈路径是否存在。当D触发器的个数增多时，输出的序列就会更具有随机性。

2仿真与验证

在仿真方面本文使用veri10g以及simulink仿真工具，在小数分频的整体搭建上，本文采用veri10g HDL语言描述并仿真。测试电路中设置32.5分频，其波形图如图7所示。

可见，输出值在-3～4之间变化，通过matlab的图形数据统计工具，得出信号图右侧的统计数据，可以看到其小数部分平均值非常接近0.5，可见随着时间的推移，真实值总会无限逼近理想值。

3 总结

本设计中面向高精度锁相环的小数分频结构在一定程度上易于实现且极大地提高了分频的精度，而且其分频后信号的占空比可以十分接近50%，但是该小数分频器的功耗相对传统结构的三阶MASH结构的功耗较高。相信小数分频器的功耗会在日后的研究中得到改善。