автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Влияние внутренних шумов и искажений характеристик дискриминаторов на работу синтезатора частот с системой фазовой автоподстройки частоты

ЖАБИН Алексей Сергеевич

ВЛИЯНИЕ ВНУТРЕННИХ ШУМОВ И ИСКАЖЕНИЙ ХАРАКТЕРИСТИК ДИСКРИМИНАТОРОВ

НА РАБОТУ СИНТЕЗАТОРА ЧАСТОТ С СИСТЕМОЙ ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ

Специальность 05.12.04 -Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2011

4844477

Работа выполнена на кафедре Формирования колебаний и сигналов Московского энергетического института (технического университета).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

КУЛЕШОВ Валентин Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

ПЕСТРЯКОВ Александр Валентинович

Защита состоится 12 мая в 15.30 на заседании диссертационного совета Д 212.157.05 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д 17, аудитория А - 402.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

БЕСПАЛОВ Евгений Семёнович

Ведущая организация: ОАО «Концерн радиостроения «Вега»

(г. Москва).

Автореферат разослан апреля 2011

г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.05 кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Проблема построения источников колебаний СВЧ диапазона с высокой долговременной стабильностью частоты и низким уровнем фазовых шумов возникла более 50 лет назад и остаётся актуальной до настоящего времени. Основными видами радиотехнических систем, для функционирования которых требовались такие источники, были и остаются радиолокационные системы, измерительные системы и различные виды систем связи и передачи информации. С появлением новых видов сигналов и способов их формирования и обработки требования к стабильности частоты основных источников колебаний и уровням их фазовых шумов становятся всё более жёсткими. .

Одним из видов устройств, широко используемых для построения источников колебаний, являются синтезаторы частот (СЧ) с системами фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Основы общих методов расчёта влияния внешних и внутренних помех на фазовые шумы подстраиваемых генераторов, включаемых в кольца ФАПЧ, были заложены в работах М.В.Капранова, В.В.Шахгильдяна, Ф.Гарднера. Эти методы применялись и развивались в работах В.Манассевича, А.В.Пестрякова, В.А.Левина,

B.Н.Малиновского, С.К.Романова, А.В.Рыжкова и В.Н.Попова, Д.Уолавера (D.Wolaver), Л.Ласкари (L.Lascari), Д.Ли (D.Lee), В.Кроупы (V.Kroupa),

C.Ваучера(С.УаисЬег), К.Кандерта (K.Kundert) и других авторов.

В частности, была выявлена необходимость исследования источников и механизмов возникновения собственных шумов в фазовых детекторах (ФД). Решению этой задачи применительно к балансным диодным ФД и импульсно-фазовым детекторам (ИФД) типа «выборка-запоминание» были посвящены работы В.Н.Кулешова, И.П.Бережняка, А.В.Попова, Ю.И.Алёхина, М.И.Кириллова и С.А.Сингосина.

Начиная с 70-х годов прошлого столетия в подавляющем большинстве разрабатываемых СЧ с кольцами ФАПЧ используются ФД и частотно-фазовые детекторы (ЧФД), построенные на основе логических элементов на КМОП-структурах. В публикациях и в обзорных статьях значительное внимание уделялось расчётам фазовых шумов таких СЧ. Вызванные потребностями промышленности разработки и серийный выпуск зарубежными фирмами микросхем, включающих в себя основные функциональные узлы СЧ с кольцами ФАПЧ, а также начало аналогичных разработок в России перевели проблему анализа и минимизации фазовых шумов, вносимых элементами таких микросхем, в число самых актуальных. Выпускаемые микросхемы требуется аттестовать по уровням вносимых ими фазовых шумов. В настоящее время проблема такой аттестации решается путём измерения фазовых шумов в широкополосных СЧ с малошумящими ГУН по специально разработанным методикам и использования эмпирических формул. Этот подход приемлем для описания характеристик готовой микросхемы, однако он не даёт ответа на вопросы, возникающие при разработках новых микросхем, поскольку механизмы возникновения шумов в ФД и ЧФД этого класса, способы снижения этих шумов и предельно достижимые их уровни при таком подходе не рассматриваются. Но именно этот круг вопросов наиболее интересен для разработчиков новых микросхем. Однако работ по теоретическом)' анализу шумов в ФД и ЧФД этого класса не опубликовано.

Кроме того, степень влияния шумов, возникающих в ФД и ЧФД, на работу кольца ФАПЧ зависит от локальной крутизны дискриминационной характеристики (ДХ) ФД или ЧФД в точке стационарного режима синхронизма. Исследования показали, что, в отличие от диодных ФД и ИФД типа «выборка-запоминание», формы ДХ ИФД и импульсных ЧФД (ИЧФД) на логических элементах могут иметь локальные искажения типа зон

нулевой (или пониженной) крутизны в окрестности нулевой разности фаз входных колебаний. Наличие таких искажений оказывает существенное влияние на шумовые и динамические характеристики кольца ФАПЧ в СЧ.

Систематического теоретического и экспериментального исследования механизмов возникновения и способов предотвращения локальных искажений дискриминационных характеристик ИФД и ИЧФД на логических элементах, методов снижения их собственных шумов, а также ослабления их влияния на работу СЧ с кольцами ФАПЧ в опубликованных работах к настоящему времени нет. В то же время из изложенного выше ясно, что такое исследование весьма актуально для решения задач создания новых стабильно работающих микросхем СЧ для современных и перспективных радиотехнических систем.

Цель работы заключается в выявлении источников внутренних шумов и искажений дискриминационных характеристик ИФД и ИЧФД, построенных на логических элементах на базе КМОП-структур и механизмов их влияния на функционирование СЧ с системой ФАПЧ.

Из определённой таким образом цели вытекает необходимость решения следующих основных задач:

• построение нелинейной математической модели МОП-транзистора, в которой учитываются его инерционность и влияние источников внутренних шумов;

• построение моделей базовых логических элементов, входящих в состав ИФД и ИЧФД;

• детальный анализ функционирования ИФД и ИЧФД, выявление основных источников внутренних шумов и механизмов их влияния на работу ИФД и ИЧФД, а также причин и механизмов искажения дискриминационных характеристик;

• анализ вкладов источников внутренних шумов в ИФД (ИЧФД) в уровень фазового шума генерируемого системой ФАПЧ колебания;

• экспериментальное исследование шумовых характеристик базового КМОП-элемента (КМОП-инвертора);

• экспериментальное исследование дискриминационных и шумовых характеристик ИФД и РИФ Д.

Для решения поставленных задач в качестве объектов исследования

выбраны:

• КМОП-структуры и базовые функциональные узлы синтезаторов частот на их основе;

• ИЧФД, построенный по схеме, используемой в зарубежных разработках, а также в тестовой отечественной ИМС ФАПЧ, предназначенной для использования в непрямых СЧ диапазонов ВЧ и СВЧ;

• Синтезатор частот с кольцом ФАПЧ и делителями частоты с целочисленными коэффициентами деления в кольце обратной связи, в котором используются исследуемые виды ИФД и ИЧФД.

Применительно к объектам исследования для решения поставленных

задач используются:

• методы теории нелинейных колебаний и теории систем автоматического управления;

• методы статистической радиотехники;

• методы построения математических моделей МОП-структур, в которых учитываются их инерционные свойства, нелинейность статических характеристик и источники собственных шумов и флуктуаций параметров;

б

• теория нелинейных дифференциальных уравнений и методы их численного решения и моделирования процессов в нелинейных динамических системах на ЭВМ;

• методы экспериментального исследования динамических и флуктуационных процессов в нелинейных системах.

Научная новизна. Наиболее слабо изученными в плане флуктуационных характеристик функциональными узлами систем ФАПЧ, используемых в СЧ, являются ИФД и особенно ИЧФД на логических элементах. Решения задачи анализа влияния их внутренних шумов на функционирование системы ФАПЧ в современной литературе нет.

В материалах, представленных в работе, исследование флуктуационных характеристик функциональных узлов системы ФАПЧ производится с использованием нелинейной модели МОП-транзистора, работающей в режиме переключений, что позволяет отследить механизмы влияния источников внутренних шумов на работу ИФД и ИЧФД, искажения дискриминационных характеристик и вызванное этими факторами ухудшение флуктуационных параметров системы. При анализе как дискриминационных, так и флуктуационных характеристик системы ФАПЧ такой подход применен впервые.

Ряд экспериментальных данных, таких как результаты исследования фазовых шумов КМОП-стркуктур автогенераторным методом, результаты измерения эквивалентных фазовых шумов ИФД и логической части ИЧФД, результаты исследования фазовых шумов тестовой ИМС ФАПЧ, согласующиеся с теоретическими оценками, приведенными в работе, получены впервые.

Достоверность результатов обеспечивается использованием обоснованно выбранных методов теоретического анализа, а также проверкой основных результатов компьютерным моделированием и экспериментами. Основные положения, выносимые на защиту

1. Анализ влияния основных источников внутренних шумов на работу СЧ с ФАПЧ с помощью математических моделей основных функциональных узлов КМОП-логики, используемых в ИФД и ИЧФД, построенных на базе модели МОП-транзистора, в которой учитываются его инерционность, нелинейность статических характеристик и основные источники флуктуации;

2. Результаты анализа причин и механизмов возникновения локальных и периферийных искажений дискриминационных характеристик ИФД и ИЧФД, а также их влияния на работу СЧ и системой ФАПЧ;

3. Методы выделения вклада дискриминаторов в общие уровни фазовых шумов выходных колебаний СЧ с кольцами ФАПЧ;

4. Автогенераторный метод и результаты экспериментального исследования шумовых характеристик КМОП-инвертора;

5. Методы и результаты экспериментального исследования шумовых характеристик ИФД и логической части ИЧФД.

Практическая ценность работы и ее реализация

Включенные в диссертацию результаты были получены в рамках госбюджетного финансирования, при поддержке гранта № НШ-3344.2008.8 Совета по грантам Президента РФ для государственной поддержки ведущих научных школ и программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

Полученные в работе результаты доведены до практических рекомендаций для разработчиков устройств на основе систем ФАПЧ и инженерных или компьютерных методик расчета характеристик.

Результаты работы используются в учебном процессе на Радиотехническом факультете МЭИ (ТУ) в рамках дополнительных учебных курсов, дисциплин, установленных Советом ИРЭ МЭИ(ТУ), в преддипломных курсах, при курсовом и дипломном проектировании.

Результаты работы были также использованы при проектировании устройства привязки к единой сетке времени и формирования стабильных синхросигналов для прецизионного измерителя временных интервалов, разработанного автором на предприятии ОАО Научно-производственная корпорация "Системы прецизионного приборостроения" и предназначенного для использования в составе квантово-оптической системы корректировки точности синхронизации времени между перспективными космическими, аппаратами спутниковой навигационной системы "ГЛОНАСС".

Публикации и апробация результатов работы. Изложенные в диссертации результаты отражены в 15 публикациях, в том числе: в двух статьях в научно-технических журналах, входящих в перечень ВАК, в тезисах и сборниках трудов 6 международных конференций, 7 научно-технических семинаров.

Структура и объем работы. Перечисленные выше положения раскрываются в материалах диссертационной работы, изложенной на 193 страницах машинописного текста и иллюстрированной 92 рисунками на 84 страницах. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 116 наименований и 3 приложений.

Во введении раскрыта актуальность темы диссертации, определены цели исследования, сформулированы новые научные результаты, приведены положения, выносимые на защиту и сведения об апробации работы.

В первой главе выполнен аналитический обзор публикаций по исследованиям фазовых шумов синтезаторов частот с кольцами ФАПЧ. Из него видно, что, несмотря на определённые успехи в решении важных для практики частных задач, связанных с построением СЧ с малыми фазовыми шумами, ряд важных вопросов, связанных с выявлением факторов, приводящих к увеличению фазовых шумов, исследован недостаточно. В частности, недостаточно изучены основные источники фазовых шумов, вносимых ИЧФД, и механизмы их -прохождения на выход СЧ, а также механизмы возникновения искажений дискриминационных характеристик ИЧФД, могущих привести к резкому увеличению фазовых шумов. Не разработан системный подход к решению комплекса задач, связанных с этой проблемой.

Поставлена задача комплексного исследования источников и механизмов влияния собственных шумов функциональных узлов СЧ с кольцами ФАПЧ, в которых используются ИЧФД. Выбрана структура СЧ, с использованием которой целесообразно проводить такое исследование. Приведены основные соотношения, связывающие вклады шумов различных источников с выходными фазовыми шумами и характеристиками функциональных узлов кольца ФАПЧ с выбранной структурой. Получена формула для расчёта СПМ фазового шума выходного колебания СЧ:

й^П^^о^з^п+Ь-ЬЮ^^п, (1)

где = + + + SvJF) _

СПМ фазового шума эталонного генератора, S<)r[(F) _ СПМ фазового шума

перестраиваемого генератора, СО - СПМ эквивалентного фазового

шума ЧФД, S^(F) и 2{F) - СПМ фазовых шумов делителей частот колебаний эталонного (ЭГ) и подстраиваемого (ПГ) генераторов, F -частота анализа, N, М- коэффициенты деления частот колебаний ПГ и ЭГ, KJjlnF) - коэффициент передачи замкнутого кольца ФАПЧ.

iv(F), -70 дБн/Гц

-SO -90 -100 -110 -120 -130 -140

100 МО3 МО4 1 10 1 10°

Р.Гц

Рис.1. Составляющие СПМ фазового шума выходного колебания тестового СЧ с частотой 5,8 ГГц при частоте сравнения 1 МГц: 1 - шум ЭГ, 2 - шум ПГ, 3 - сумма вкладов шумов ЭГ и ПГ, 4 - шум ЧФД и делителей частоты, 5 - полный фазовый шум

С использованием основных соотношений проведён анализ вкладов различных источников собственных шумов в СПМ выходного фазового шума одной из лучших микросхем СЧ на основе справочных данных этой микросхемы (рис.1). В частности, выделен вклад шумов ИЧФД и показано, что в приведенной на рис. 1 СПМ доминирует вклад именно этих шумов. На основе проведённого анализа уточнены цели и задачи исследования.

Во второй главе приведена классификация типов дискриминаторов, часто используемых в системах ФАПЧ. Рассмотрено функционирование и основные характеристики наиболее распространённых ИФД. ИЧФД условно разделён на логическую и аналоговую (выходную) части. Выполнен детальный анализ функционирования ИЧФД. Рассмотрены механизмы искажения формы статической дискриминационной характеристики (ДХ) ИЧФД при повышении рабочих частот, а также при работе в области малых значений сдвигов фаз выходных сигналов.

Приведены экспериментально полученные ДХ ИФД и ИЧФД. Обсуждены факторы, ограничивающие апертуру ДХ и вызывающие искажения характеристик. На рис.2,а приведен пример идеализированной ДХ ИФД на основе /^-триггера, а на рис.2,6 - пример реальной ДХ, полученной экспериментально.

6--------

^оифд. Ь

б)

Рис.2. Идеализированная (а) и реальная (б) ДХ ИФД на основе АУ-триггера

На рис.3,а приведен пример идеализированной, а на рис.3,б - пример искаженной ДХ ИЧФД. Рассмотрены механизмы возникновения искажений ДХ ИЧФД в виде зоны с нулевой локальной крутизной в окрестности точки стационарного режима (АФ = 0) и искажений на границах апертуры при повышении рабочих частот.

АФ

б)

Рис.3. Идеализированная (а) и искаженная (б) ДX ИЧФД

Сделаны выводы и приведены практические рекомендации по выбору режимов работы ИФД и ИЧФД для предотвращения появления или снижения влияния рассмотренных типов искажений ДХ.

В третьей главе рассмотрены основные источники и механизмы влияния внутренних шумов на работу ИФД и ИЧФД.

Обоснован выбор эквивалентной схемы МОП-транзистора, показанной на рис.4, для анализа влияния внутренних шумов в компонентах ИФД и ИЧФД на их работу.

СЛп.ф(0

Сзс 11 /о( ^Ли, {/си)

£/э,

и

Рис.4. Нелинейная эквивалентная схема МОП-транзистора с источниками его

собственных шумов

В схеме рис.4 учитываются два источника шумов - 7Ш К - тепловой шум канала транзистора и £/ш.ф - фликер-шум со спектральной плотностью мощности (СПМ) типа 1/Р, моделируемый источником шумового напряжения, включенного последовательно в цепь затвора транзистора. При анализе этот источник шума учитывается в виде эквивалентных флуктуаций

напряжения отсечки проходной характеристики МОП-транзистора. Поскольку наибольший интерес представляют шумы, сосредоточенные в области низких частот, другие источники шумов в схеме не учтены. Инерционные свойства МОП-транзистора учитываются с помощью емкостей затвор-исток Сш, затвор-сток Сх и сток-исток Сси. Статические характеристики транзистора аппроксимированы нелинейной зависимостью /с(С/зи, иш) с помощью уравнения Иантолы, в котором также учтен конечный наклон выходных характеристик транзистора в пологой области.

На базе эквивалентной схемы построены модели основных логических элементов, входящих в состав ИФД и ИЧФД. Получены теоретические соотношения, позволяющие проводить оценки уровней СПМ эквивалентных

фазовых шумов ИФД ей ТИ-триггере (2) и логической ^ф.лч.ичфд (Л

(3) и аналоговой (4) частей ИЧФД.

5ФЮ(Л = 2(2К1т + 2*/о)2 +2(А/2Ф.ю,)(2л)2/о , (2)

(Л = К1,л{8и/{Р) + 5„)(2тг/0)2 + 2(А4.ИЧФДт)(271)2/о , (3)

4

-АкТ з Г—+ 1

¿ъ 3 V.' )

+ 4(Д4тк,)(271)2/0! (4)

где А"„.не, А'щщ, А"ИЧфд - коэффициенты влияния сдвига проходной характеристики МОП-трназистора на время задержки сигнала на выходе соответственно элемента И-НЕ, инвертора и полный коэффициент для ИЧФД, Кп: - аналогичный коэффициент влияния сдвига проходной характеристики на смещение фронта импульса тока в АЧ ИЧФД, Та -

и

абсолютная температура,/о - рабочая частота ИФД (ИЧФД), 5 = -

3 ^

СПМ низкочастотной части приведённого ко входу транзистора теплового шума канала, = - частота перехода от зависимости типа МР

к постоянному уровню в СПМ приведённого ко входу шумового напряжения, - крутизна транзистора при заданном напряжении затвор-

исток, тСбР - время сброса триггеров в

ЛЧ ИЧФД, (л,2ф./*,),<д£ ИЧФД.т),

1

<ДГф.тк,г> " средние квадраты изменения ширины выходных импульсов, вызванного влиянием тепловых шумов каналов транзисторов, входящих в состав ИФД, ЛЧ ИЧФД, АЧ ИЧФД соответственно.

Не все параметры, используемые при аппроксимации характеристик модели МОП-транзистора, были известны достоверно, в связи с чем сделаны выводы о необходимости экспериментального получения недостающих параметров. Поставлены и решены задачи экспериментального исследования флуктуационных характеристик базовых элементов на КМОП-структурах. Разработаны методы экспериментального исследования (автогенераторный метод, метод прямого измерения).

v. -,3S

дБн/Гц -из -HS -ISO

-IIS -170

ш

1 IQ3

а)

дБм/Гц -125

'¡АО -145

-150 -155

-;йз

-165 -170

б)

110=

МО 110

F. Гц

Рис.5, а - оценки СПМ эквивалентных фазовых флуктуации ИФД на /¡^-триггере, б - оценки СПМ эквивалентных фазовых флуктуаций ИЧФД

На базе полученных данных сделаны оценки уровней СПМ

эквивалентных фазовых шумов, вносимых ИФД и ИЧФД (рис.5).

В четвертой главе рассмотрен вариант СЧ, построенного на базе тестовых образцов отечественной ИМС с системой ФАПЧ. Приведены шумовые характеристики ЭГ и ПГ, используемых в составе синтезатора. Показаны результаты экспериментального исследования уровня фазовых шумов колебания, формируемого рассматриваемым СЧ. Проведен сравнительный анализ экспериментальных данных и теоретических оценок (рис.6) уровней СПМ фазовых шумов выходного колебания при разных частотах работы ИЧФД, который указал на повышенный уровень фазовых шумов формируемого таким СЧ колебания из-за влияния избыточных шумов ИЧФД и локальных искажений ДХ ИЧФД. Предложены основные пути снижения уровня эквивалентных фазовых шумов, вносимых ИЧФД.

Рис.6. Зависимости СПМ фазовых шумов выходного колебания кольца ФАПЧ на основе микросхемы 1508ПЛ9Т: а) экспериментальные данные, б) теоретические

оценки

В заключении сформулированы основные итоги и результаты работы, состоящие в следующем.

Выявлены и описаны механизмы влияния шумов компонентов ИФД и ИЧФД на уровень фазовых шумов, вносимых ИЧФД в выходные колебания синтезаторов частот с системой ФАПЧ. В работе показано, какие вклады в общий уровень эквивалентных фазовых шумов ИЧФД дают его логическая и аналоговая части. Рассмотрены механизмы возникновения искажений дискриминационной характеристики ИЧФД и их влияние на уровень

16

фазовых шумов выходного колебания СЧ с кольцом ФАПЧ. Проведен ряд экспериментальных исследований, цель которых заключалась в нахождении недостающих параметров для построения математических моделей основных функциональных узлов системы, исследовании собственных шумов ИФД и ИЧФД и системы ФАПЧ в целом.

В соответствии с определённой целью диссертации, были рассмотрены и решены следующие задачи:

• на основе нелинейной модели МОП-транзистора, в которой учтены его инерционность и источники внутренних шумов построены математические модели функциональных узлов, входящих в состав ИФД и ИЧФД, используемых в системах ФАПЧ;

• проведен детальный анализ функционирования ИЧФД, выявлены основные источники внутренних шумов функциональных узлов и механизмы их влияния на работу ИЧФД;

• проведен анализ собственных шумов системы ФАПЧ в целом, показано, какой вклад дают эквивалентные фазовые шумы ИФД и ИЧФД в уровень фазового шума выходного колебания;

• теоретически и экспериментально исследованы механизмы появления искажений ДХ ИФД и ИЧФД и рассмотрено их влияние на шумовые характеристики СЧ с ФАПЧ;

• экспериментально исследованы шумовые характеристики КМОП-инвертора, ИФД и логической части ИЧФД; экспериментально исследованы шумы в СЧ с системой ФАПЧ и проведен сравнительный анализ теоретических и экспериментальных данных с целью определения путей снижения фазовых шумов.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Жабин A.C., Кулешов В.Н., Голубков A.B. Собственные шумы ИЧФД и их влияние на работу синтезатора частот. - М.: Вестник МЭИ, № 1 / 2011, стр. 60-68.

2. Жабин A.C., Кулешов В.Н. Экспериментальное исследование фазовых шумов в автогенераторах на КМОП-инверторах. И Электросвязь, №3,2010, стр. 34-37

3. Юрченко H.H., Жабин A.C. "Исследование влияния инерционности компонентов на характеристики ИЧФД". Intermatic-2006 // Материалы международной научно-технической конференции "Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения", 24-28 октября 2006 г., г.Москва М.: МИРЭА, 2006, часть 2. 295 е.. стр. 231 -234

4. Жабин A.C. Исследование характеристик импульсного частотно-фазового дискриминатора. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. 13-я междунар. научн.-техн. конф. студентов и аспирантов. 1-2 марта 2007 г.: Тез. докл.: В 3-х т. М.: Издательский дом МЭИ, 2007. Т.1. 508 е., стр. 22-23.

5. Жабин A.C. Шумовые характеристики импульсного частотно-фазового дискриминатора. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. 14-я междунар. научн.-техн. конф. студентов и аспирантов. 1-2 марта 2007 г.: Тез. докл.: В 3-х т. М.: Издательский дом МЭИ, 2007. Т. 1. 412 е., стр. 21-22.

6. Жабин A.C., Кулешов В.Н. Исследование влияния внутренних шумов на работу частотно-фазового детектора. // Труды Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи им. А.СЛопова. Научная сессия, посвященная дню Радио. Выпуск LXIII., 2007, стр. 464-466.

7. Кулешов В.Н., Жабин A.C. Исследование влияния внутренних шумов на работу частотно-фазового детектора. // Международная научно-техническая конференция к столетию со дня рождения В.А.Котельникова. Октябрь 2008 г., Москва, Россия.

8. Кулешов В.Н., Жабин A.C. Исследование влияния внутренних шумов на работу частотно-фазового детектора. // Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания: тексты докладов всероссийского научно-технического семинара, г. Ярослявль, 1-3 июля 2008. Под ред. Шахгильдяна B.B. - М.: Инсвязьиздат, 2008., стр. 39 - 41

9. Жабин A.C., Кулешов В.Н. Сравнение шумовых характеристик импульсных фазовых и частотно-фазовых детекторов. // Труды Российского научно-технического общества радиотехники,

электроники и связи им. А.С.Попова. Научная сессия, посвященная дню радио. Выпуск LXV. Москва, 2010. стр. 265-267.

10. Жабин A.C. Исследование флуктуационных характеристик частотно-фазовых детекторов. // Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология, учебный процесс). Материалы докладов научно-методического семинара (Москва, 23-25 ноября 2009 г.). М.: НТОРЭС им. А.С.Попова, МЭИ, 2010.-284 с. стр. 146-151.

11. Жабин A.C., Кулешов В.Н. Экспериментальное исследование характеристик и построение модели КМОП-инвертора. // Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания: тексты докладов всероссийского научно-технического семинара, г. Воронеж, 24-26 июня 2009. Под ред. Шахгильдяна В.В. -М.: Инсвязьиздат2009., стр. 41-43

12. Жабин A.C. Сравнительный анализ импульсных ФД и ЧФД по уровням пульсаций на выходе. // Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания: тексты докладов всероссийского научно-технического семинара. Под ред. В.В. Шахгильдяна-М.: Инсвязьиздат, 2010.

13. Жабин A.C. Исследование флуктуационных характеристик КМОП-инверторов и автогенераторов на их основе. // Радиотехника, электроника и энергетика. 15-я международная научн.-техн. конф. студентов и аспирантов: тез. докл. В 3-х т. T.l. М.: Издательский дом МЭИ, 2010. - 490 е., стр. 44-46.

14. Жабин A.C. Экспериментальное исследование флуктуационных характеристик КМОП-структур. // Радиотехника, электроника и энергетика. 16-я международная научн.-техн. конф. студентов и аспирантов: тез. докл. В 3-х т. T.l. М.: Издательский дом МЭИ, 2010. -492 е., стр. 32-33.

15. Жабин A.C., Кулешов В.Н. Измерение фазовых шумов КМОП-инверторов автогенераторным методом. // Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология, учебный процесс). Материалы докладов научно-методического семинара (Москва, 23-25 ноября 2009 г.). М.: НТОРЭС им. А.С.Попова, МЭИ, 2010. - 284 с. стр. 152157.

Подписано в печать ЛРМСзяк. Тир. iCO п.л .¿Л/-"

Полиграфический центр МЭИ(ТУ) Красноказарменная ул.,д.13

ВВЕДЕНИЕ. Актуальность темы и цели исследования. ^

1. Фазовые шумы выходных колебаний непрямых синтезаторов частот: история и методы исследования.

1.1. Обзор публикаций.

1.2. Выбор структуры исследуемого синтезатора с кольцом ФАПЧ и основные уравнения этого синтезатора.

1.3. Методика анализа влияния шумов функциональных узлов на уровень фазовых шумов выходного колебания.

1.4. Оценка вклада шумов ИЧФД по экспериментальным данным об общем уровне фазовых шумов выходного колебания.

1.5. Уточнение цели и задач исследования.

1.6. Основные результаты главы.

2. Идеализированные и реальные дискриминационные характеристики ИФД и ИЧФД.

2.1. Задачи и выбор объектов исследования.

2.2. Дискриминационные характеристики и показатели качества

ИФД на логических элементах.

2.3. Исследование искажений дискриминационных характеристик

ИФД на логических элементах.

2.4. Дискриминационные характеристики и показатели качества импульсных частотно-фазовых дискриминаторов на логических элементах.

2.5. Влияние схем подкачки заряда, используемых в аналоговой части ИЧФД, на дискриминационные характеристики.

2.6. Исследование искажений дискриминационных характеристик ИЧФД.

2.7. Основные результаты главы. с^

3. Источники и механизмы влияния внутренних шумов на функционирование ИФД и ИЧФД. Экспериментальное исследование уровней внутренних шумов в базовых КМОП-структурах, ИФД и ИЧФД.

3.1. Уточнение задачи выявления источников и механизмов влияния внутренних шумов в ИФД и ИЧФД

3.2. Формирование моделей для анализа внутренних шумов ИФД и ИЧФД.

3.2.1. Выбор шумовой эквивалентной схемы МОП-транзистора.

3.2.2. Анализ флуктуаций в базовых логических элементах на КМОП-структурах.

3.2.3. Анализ влияния флуктуаций, вносимых ИФД.

3.2.4. Анализ влияния флуктуаций, вносимых логической

частью ИЧФД.

3.2.5. Анализ влияния флуктуаций в аналоговой части ИЧФД.

3.2.6. Оценка СПМ эквивалентного фазового шума ИЧФД с аналоговой частью в виде схемы подкачки заряда.

3.3. Экспериментальное исследование флуктуационных характеристик базовых КМОП-структур и построенных а их основе ИФД и ИЧФД.

3.3.1. Задачи экспериментального исследования.

3.3.2. Автогенераторный метод измерения фазовых шумов, вносимых КМОП-структурами на примере инвертора.

3.3.3. Результаты экспериментального исследования флуктуационных характеристик автогенераторов на КМОП-инверторах.

3.3.4. Экспериментальное исследование шумовых характеристик ИФД и логической части ИЧФД.

3.4. Оценки флуктуационных характеристик ИФД и ИЧФД.

3.5. Основные результаты главы. ^q

4. Экспериментальное исследование флуктуационных характеристик тестовой микросхемы ФАПЧ. Сравнение результатов с теоретическими ценками.

4.1. Задачи экспериментального исследования тестовой микросхемы ФАПЧ с ИЧФД.

4.2. Результаты экспериментального исследования фазовых шумов в ФАПЧ на основе тестовой микросхемы и их сопоставление с теоретическими оценками.

4.3. О методиках исследования тестовых образцов вновь разрабатываемых ИМС, предназначенных для построения синтезаторов частот с низкими уровнями фазовых шумов.

4.4. Основные результаты главы.

Актуальность темы и цели исследования

Актуальность темы

Проблема построения источников колебаний СВЧ диапазона с высокой долговременной стабильностью частоты и низким уровнем фазовых шумов возникла более 50 лет назад и остаётся актуальной до настоящего времени. Основными видами радиотехнических систем, для функционирования которых требовались такие источники, были и остаются радиолокационные системы [1-3], измерительные системы [4-6] и различные виды систем связи и передачи информации [7-13]. Из публикаций [1-13], охватывающих более чем 40-летний отрезок времени, видно, что с появлением новых видов сигналов и способов их формирования и обработки требования к стабильности частоты основных источников колебаний и уровням их фазовых шумов становятся всё более жёсткими.

Одним из видов устройств, широко и эффективно используемых для построения источников колебаний, удовлетворяющих целому комплексу взаимно противоречивых требований, включающих требования к полосе перестройки, стабильности частоты и уровню фазовых шумов, являются синтезаторы частот (СЧ) с системами фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ)[10,14-32]. Основы общих методов расчёта влияния внешних и внутренних помех на фазовые шумы подстраиваемых генераторов, включаемых в кольца ФАПЧ, были заложены в работах М.В.Капранова [15], В.В.Шахгильдяна [16,17], Ф.Гарднера [18], и эти методы использовались и развивались в большом числе опубликованных работ [19-32].

Выполнялись исследования источников шумов в функциональных узлах колец ФАПЧ, используемых в СЧ. Большое число публикаций, обзор которых выходит за рамки данной работы, посвящено исследованию фазовых шумов, как опорных кварцевых генераторов, так и подстраиваемых генераторов, как правило, управляемых по частоте напряжением (ГУН). Определённое внимание уделялось также изучению собственных шумов таких важных функциональных узлов колец ФАПЧ синтезаторов, как делители частоты с переменным коэффициентом деления, и фазовые (ФД) и частотно-фазовые (ЧФД) детекторы [33-57].

Из применяемых в ССЧ видов ФД достаточно полно изучены собственные шумы балансных ФД [33-35], а также ФД типа «выборка-запоминание» [36-39,23].

Однако, начиная с 70-х годов прошлого столетия, в подавляющем большинстве разрабатываемых СЧ с кольцами ФАПЧ используются ФД и ЧФД, построенные на основе логических элементов [42,43]. Описание и анализ работы таких СЧ содержится в ряде книг [22-26, 29-31, 45-46] и электронных публикаций [32, 47].

В этих публикациях и в обзорных статьях [21, 27] значительное внимание уделялось расчётам фазовых шумов СЧ. В ряде публикаций (например, в [40, 41]) исследовались шумы, вносимые делителями частоты, построенными на логических элементах. Публиковались экспериментальные данные о шумах некоторых типов ФД на логических элементах [36, 23].

Вызванные потребностями промышленности разработки и серийный выпуск рядом ведущих компаний микросхем, включающих в себя основные функциональные узлы СЧ с кольцами ФАПЧ [52-57], а также начало аналогичных разработок в России [58, 59] перевели проблему анализа и минимизации фазовых шумов, вносимых элементами таких микросхем, в число самых актуальных, поскольку выпускаемые микросхемы требовалось аттестовать по уровням вносимых ими фазовых шумов. Для выпускаемых микросхем проблема аттестации по вносимым ими фазовым шумам в настоящее время решается путём измерения фазовых шумов в широкополосных СЧ с малошумящими ГУН по специально разработанным методикам. Измерения выполняются на нескольких частотах. Прогнозирование фазовых шумов на других рабочих частотах делается с использованием эмпирической формулы, приводимой в справочных данных [52-57]. Такой подход приемлем для описания характеристик готовой микросхемы в форме, удобной для потребителей.

Однако, он не даёт ответа на вопросы, возникающие при разработках новых микросхем, поскольку механизмы возникновения шумов в ФД и ЧФД этого класса, способы снижения этих шумов и предельно достижимые их уровни при таком подходе не рассматриваются. Но именно этот круг вопросов наиболее интересен для разработчиков новых микросхем.

Кроме того, как известно из теории систем ФАПЧ [15-32], степень влияния шумов, возникающих в ФД и ЧФД, зависит от локальных свойств их дискриминационных характеристик, в частности, от локальной крутизны дискриминационной характеристики ФД или ЧФД в точке стационарного режима синхронизма. Исследования показали, что, в отличие от простых диодных ФД [17-20] и ФД типа «выборка-запоминание [22, 36-39], формы дискриминационных характеристик ЧФД на логических элементах могут иметь локальные искажения типа зон нулевой крутизны (или пониженной крутизны) в окрестности нулевой разности фаз входных колебаний [44, 48, 49]. Наличие таких искажений оказывает существенное влияние на шумовые и динамические характеристики кольца ФАПЧ в ССЧ.

Систематического теоретического и экспериментального исследования механизмов возникновения и способов предотвращения (или устранения), как собственных шумов, так и локальных искажений дискриминационных характеристик ФД и ЧФД на логических элементах, а также их влияния на работу СЧ с кольцами ФАПЧ в опубликованных работах к настоящему времени нет. В то же время из изложенного выше ясно, что такое исследование весьма актуально для решения задач создания новых стабильно работающих микросхем СЧ для современных и перспективных радиотехнических систем [11-14]. Целью данной работы является выполнение такого исследования.

Цель работы и задачи исследования

Цель работы заключается в выявлении источников внутренних шумов и искажений дискриминационных характеристик ИФД и ИЧФД, построенных на логических элементах на базе КМОП-структур и механизмов их влияния на функционирование СЧ с системой ФАПЧ.

Исходя из поставленной цели, вытекает необходимость решения следующих основных задач:

• построение нелинейной математической модели МОП-транзистора, в которой учитывается его инерционность и влияние источников внутренних шумов;

• построение моделей базовых логических элементов, входящих в состав ИФД и ИЧФД;

• детальный анализ функционирования ИФД и ИЧФД, выявление основных источников внутренних шумов и механизмов их влияния на работу ИФД и ИЧФД, а также причин и механизмов искажения дискриминационных характеристик;

• анализ вкладов источников внутренних шумов в ИФД (ИЧФД) в уровень фазового шума генерируемого системой ФАПЧ колебания;

• экспериментальное исследование шумовых характеристик базового КМОП-элемента (КМОП-инвертора);

• экспериментальное исследование дискриминационных и шумовых характеристик ИФД и ИЧФД.

Объект и методы исследования

Для решения поставленных задач в качестве объектов исследования выбраны:

• КМОП-структуры и базовые функциональные узлы синтезаторов частот на их основе;

• ИЧФД, построенный по схеме, используемой в зарубежных разработках, а также в тестовой отечественной ИМС ФАПЧ и предназначенной для использования в непрямых СЧ диапазонов ВЧ и СВЧ;

• Синтезатор частот с кольцом ФАПЧ и делителями частоты с целочисленными коэффициентами в кольце обратной связи, в котором в используются исследуемые виды ИФД и ИЧФД.

Применительно к объектам исследования для решения поставленных задач используются:

• методы теории нелинейных колебаний и теории систем автоматического управления;

• методы статистической радиотехники;

• методы построения математических моделей МОП-структур, в которых учитываются их инерционные свойства, нелинейность статических характеристик и источники собственных шумов и флуктуаций параметров;

• теория нелинейных дифференциальных уравнений и методы их численного решения и моделирования процессов в нелинейных динамических системах на ЭВМ;

• методы экспериментального исследования динамических и флуктуационных процессов в нелинейных системах.

Научная новизна

Для получения ответов на поставленные вопросы требуется решить задачу анализа вкладов функциональных узлов в общий уровень СПМ фазовых флуктуаций колебания, генерируемого системой. Для решения этой задачи, в свою очередь, требуется выявить основные источники внутренних шумов компонентов и механизмы их влияния на работу функциональных узлов, входящих в систему. Наиболее слабо изученными в плане флуктуационных характеристик функциональными узлами являются ИФД и особенно ИЧФД на логических элементах. Решения задачи анализа влияния его внутренних шумов на функционирование системы ФАПЧ в современной литературе нет. Флуктуационные свойства ИФД типа "выборка-запоминание" и балансных фазовых дискриминаторов были изучены ранее в работах [33-35].

В материалах, представленных в работе, исследование флуктуационных характеристик компонентов системы ФАПЧ производится исходя из обоснованно выбранной эквивалентной схемы МОП-транзистора, что позволяет четко отследить механизмы влияния источников внутренних шумов на функционирование компонентов, деградацию характеристик и соответствующее ухудшение флуктуационных параметров системы. При анализе флуктуационных характеристик системы ФАПЧ такой подход применен впервые.

Ряд экспериментальных данных, таких как результаты исследования фазовых шумов КМОП-структур автогенераторным методом, результаты измерения эквивалентных фазовых шумов ИФД и логической части ИЧФД, результаты исследования фазовых шумов тестовой ИМС ФАПЧ, согласующиеся с теоретическими оценками, приведенными в работе, получены впервые.

Таким образом, в данной диссертации представлены результаты работы автора по теоретическому анализу и экспериментальным исследованиям флуктуационных свойств дискриминаторов, используемых в составе системы ФАПЧ и самой системы в целом, а также искажений характеристик дискриминаторов в различных режимах работы.

Достоверность результатов обеспечивается использованием обоснованно выбранных методов теоретического анализа, а также проверкой основных результатов компьютерным моделированием и экспериментами.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Анализ влияния основных источников внутренних шумов на работу СЧ с ФАПЧ с помощью математических моделей основных функциональных узлов КМОП-логики, используемых в ИФД и ИЧФД, построенных на базе модели МОП-транзистора, в которой учитываются его инерционность, нелинейность статических характеристик и основные источники флуктуаций;

2. Результаты анализа причин и механизмов возникновения локальных и периферийных искажений дискриминационных характеристик ИФД и ИЧФД, а также их влияния на работу СЧ с системой ФАПЧ;

3. Методы выделения вклада дискриминаторов в общие уровни фазовых шумов выходных колебаний СЧ с кольцами ФАПЧ;

4. Автогенераторный метод и результаты экспериментального исследования шумовых характеристик КМОП-инвертора;

5. Методы и результаты экспериментального исследования шумовых характеристик ИФД и логической части ИЧФД.

Практическая ценность работы и ее реализация

Включенные в диссертацию результаты были получены в рамках госбюджетного финансирования, при поддержке гранта № НШ-3344.2008.8 Совета по грантам Президента РФ для государственной поддержки ведущих научных школ и программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

Полученные в работе результаты доведены до практических рекомендаций для разработчиков систем ФАПЧ и инженерных методик расчета характеристик.

Результаты работы используются в учебном процессе на Радиотехническом факультете МЭИ (ТУ) в рамках дополнительных учебных курсов, дисциплин, установленных Советом для выбора студентов, в преддипломных курсах, при курсовом и дипломном проектировании.

Результаты работы были также использованы при проектировании устройства привязки к единой сетке времени и формирования стабильных синхросигналов для прецизионного измерителя временных интервалов, разработанного автором на предприятии ОАО Научно-производственная корпорация "Системы прецизионного приборостроения" и предназначенного для использования в составе квантово-оптической системы корректировки точности синхронизации времени между перспективными космическими аппаратами спутниковой навигационной системы "ГЛОНАСС".

Акты о внедрении результатов работы представлены в Приложении 3.

Публикации и апробация результатов работы

Изложенные в диссертации результаты отражены в 15 публикациях, в том числе: в тезисах и сборниках трудов 6 международных конференций [91, 92, 93, 95, 102, 103], 7 научно-технических семинаров [94, 96, 98, 99, 100, 101, 105] и в двух статьях в научно-технических журналах [97, 104], входящих в перечень ВАК.

Структура и объем работы

Перечисленные выше положения раскрываются в материалах диссертационной работы, изложенной на 191 странице машинописного текста и иллюстрированной 91 рисунком на 84 страницах. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 116 наименований и 3 приложений.

4.4. Основные результаты главы

1. Приведены результаты экспериментального исследования фазовых шумов синтезатора частот (СЧ) с кольцом ФАПЧ на одном из экземпляров тестовых кристаллов отечественной интегральной микросхемы (ИМС) 1508ПЛ9Т при нескольких значениях частоты сравнения. По результатам этих измерений была сделана оценка уровня эквивалентных фазовых шумов ИЧФД, реализованного в этой микросхеме. Сравнение теоретических оценок выходных шумов СЧ с результатами их экспериментального исследования показало, что при определенном значении частоты перехода, характеризующей уровень 1/Е шумов в инверторах на МОП-транзисторах, результаты измерений и их зависимость от коэффициентов деления в кольце ФАПЧ согласуются с теоретическими оценками. При этом уровень фазовых шумов в исследованном варианте СЧ оказался достаточно высоким, что подчёркивает актуальность разработки методов выявления источников и механизмов влияния этих шумов.

2. Исследовано поведение дискриминационных характеристик ИЧФД, реализованного на этой микросхеме, в интервале разностей фаз входных колебаний ( —и/в.+7Г/6) при частотах сравнения 2 МГц и 11 МГц.

При работе на верхней из этих частот в данном интервале разностей фаз обнаружены зоны нулевой чувствительности. Исследовано влияние увеличения времени задержки импульсов сброса триггеров ИЧФД на положение и ширину этих зон.

3. На основе проведённых теоретических и экспериментальных исследований сформулированы предложения по построению тестовых микросхем, на которых предполагается строить СЧ с низкими уровнями фазовых шумов, и методики экспериментальных исследований таких микросхем.

Подведём итоги работы в целом. Цель её состояла в выявлении источников внутренних шумов и искажений дискриминационных характеристик ИФД и ИЧФД, построенных на логических элементах на базе КМОП-структур, и механизмов их влияния на функционирование синтезаторов частот с системами ФАПЧ.

В соответствии с целью диссертации, в настоящей работе были решены следующие задачи:

• на основе нелинейной модели МОП-транзистора, в которой учтены его инерционность и источники внутренних шумов построены математические модели функциональных узлов, входящих в состав ИФД и ИЧФД, используемых в системах ФАПЧ;

• проведен детальный анализ функционирования ИЧФД, выявлены основные источники внутренних шумов функциональных узлов и механизмы их влияния на работу ИЧФД;

• проведен анализ системы ФАПЧ в целом, показано, какой вклад дают эквивалентные .фазовые шумы ИФД и ИЧФД в уровень фазового шума выходного колебания;

• теоретически и экспериментально исследованы механизмы появления искажений дискриминационных характеристик ИФД и ИЧФД;

• экспериментально исследованы шумовые характеристики КМОП-инвертора, двух видов ИФД и логической части ИЧФД; экспериментально исследованы шумы в СЧ с системой ФАПЧ и проведен сравнительный анализ теоретических и экспериментальных данных;

• сформулированы предложения по построению тестовых кристаллов вновь разрабатываемых интегральных микросхем, на которых предполагается строить СЧ с низкими уровнями фазовых шумов, и методики экспериментальных исследований таких микросхем.

В результате проведенного исследования дано детальное описание механизмов влияния внутренних шумов компонентов ИФД и ИЧФД на уровень фазовых шумов, вносимых ИФД или ИЧФД в выходные колебания синтезаторов частот с системами ФАПЧ. Показано, какие вклады в общий уровень эквивалентных фазовых шумов ИЧФД дают его логическая и аналоговая части. Рассмотрены механизмы искажения форм дискриминационных характеристик ИФД и ИЧФД и их влияние на функционирование систем ФАПЧ.

Таким образом, цель данной работы может считаться достигнутой. При этом некоторые методы решения поставленных задач заслуживают дальнейшей разработки и расширения их применения. К их числу относится автогенераторный метод исследования флуктуационных характеристик логических элементов, разработанный и описанный в третьей главе.

В заключение, выражаю благодарность за неоценимую помощь, оказанную В.Г.Голубковым и А.В.Голубковым при измерениях фазовых шумов СЧ с тестовым экземпляром ИМС и исследованиях дискриминационных характеристик ИЧФД, реализованного на этой ИМС.

1. Лисон Д., Джонсон Г. Кратковременная стабильность частоты доплеровских радиолокационных станций: требования, измерения, методы.// ТИИЭР. 1966. - Т.54, № 2. - С. 157-163.

2. Рейвен Р. Требования к опорным генераторам для когерентных радиолокационных станций.// ТИИЭР. 1966. - Т.54, № 2. - С. 1 SOIS?.

3. Блинов И.Н., Демчук А. Д., Рыжков A.B. Кратковременная нестабильность частоты доплеровских радиолокационных станций: требования, измерения, методы. // «Вопросы радиоэлектроники», серия «РИТ», 1975 - № 1. - С.42-44

4. Гроулинг Ч., Хили Д. Аппаратура для измерения кратковременной стабильности частоты СВЧ источников.// ТИИЭР. — 1966. Т.54, № 2. - С.164-173.

5. Walls F.L., Stein S.R. Accurate Measurements of Spectral Density of Phase Noise.// Proc/ of 31-st SFC. 1977. - P.335-343.

6. Кулешов B.H., Попов A.B. О построении измерителей флуктуаций фазы колебаний. //Стабилизация частоты. Тезисы докладов межотраслевых научных конференций, совещаний, семинаров. М.: ВИМИ, 1986. - С.207-211.

7. Сиднор Р., Колдуэлл Дж., Роуз Б. Требования к стабильности частоты в космических системах связи и слежения.// ТИИЭР. — 1966. — Т.54, № 2. С.143-149.

8. Горяинов В.Т. Помехоустойчивость систем фазовой радиотелеграфии с учётом флуктуаций фазы опорного колебания.// В сб.: XXII Всесоюзная научн. сессия, посвящённая Дню Радио. Доклады. Секция радиоприёмн. ус-в.// М.: Сов. Радио, 1966. - С.57-71.

9. Супер Ю.М., Даниэлян С.А. Нормирование фазовых шумов в линиях передачи цифровой информации сигналами с фазовой манипуляцией.// Техника средств связи. Сер. Техника радиосвязи. 1982.-Вып. 1.-С.49-60

10. Тихомиров Н.М., Романов С.К., Леныпин А.В. Формирование 4M сигналов в синтезаторах с автоподстройкой. — М.: Радио и связь, 2004. -210 с.

11. Reinhardt V.S. The Calculation of Frequency Source Requirements for Digital Communication Systems. // Proc. 2004 IEEE Freq. Contr. Symposium and Exposition, 2004. p. 151-157.

12. Иванкович М.В. Определение требований к шумовым характеристикам синтезатора частот / Труды НИИР: сборник статей. -М.: НИИР, 2008.-№3.

13. Razavi, В. The Role of the PLLs in Future Wireline Transmitters. // IEEE Trans, on Circuits and Systems, Aug. 2009. V. 56, №8. - P.1786-1793.

14. Капранов M.B. Фазовая автоподстройка частоты.// Дисс. канд. техн. наук.: 05.12.01.-М.:1957.-205 л.: ил.-Библиогр.: с. 195-205.

15. Шахгильдян В.В. Фильтрация флуктуационных помех системой фазовой автоподстройки частоты с различными вариантами фильтров.// Радиотехника, 1961. Т. 16, №10. - С.28-37.

16. Шахгильдян В.В., Ляховкин A.A. Системы фазовой автоподстройки частоты. М.: Связь, 1972. - 448 с.

17. Gardner F. M., Phaselock Techniques. // John Wiley and Sons, Inc., New York, 1967.- 182 p.

18. Манассевич В. Синтезаторы частот. Теория и проектирование: Пер. с англ./ Под ред А.С.Галина. М.: Связь, 1979. - 384 с.

19. Первачев C.B. Радиоавтоматика: Учеб. для вузов. М.: Радио и связь, 1982.-296 с.

20. Пестряков A.B. Расчет спектральных характеристик синтезаторов частот, использующих дискретные кольца ФАПЧ // Электросвязь. -1986. -№3. С.51-55.

21. Левин В.А., Малиновский В.Н., Романов С.К. Синтезаторы частот с системой импульсно-фазовой автоподстройки. — М.: Радио и связь, 1989.- 232 с.

22. Рыжков А.В., Попов В.Н. Синтезаторы частот в технике радиосвязи. — М.: Радио и связь, 1991. 264 с.

23. Wolaver D.H., Phase-Locked Loop Circuits Design, Prentice-Hall Inc., Englewood Cliffs, New Jersey, 1991. 265 p.

24. Goldberg B.G., Digital techniques in frequency synthesis. // McGraw-Hill, New York, 1996.-320 p.

25. Rohde U.L., Microwave and Wireless Synthesizers: Theory and Design. // John Wiley and Sons, Inc., New York, 1997. 638 p.

26. Lascari L., Accurate phase noise prediction in PLL synthesizers. Part 1. // Applied Microwave and Wireless, Apr. 2000, pp. 30-38.

27. Lee D.C. Analysis of Jitter in Phase-Locked Loops. //IEEE Transactions on circuits and systems-II: Analog and digital signal processing, vol. 49, No. 11, Nov. 2002, p.704

28. Kroupa V.F., Phase Lock Loops and Frequency Synthesis. // Wiley, 2003. 329 p.

29. Vaucher C.S., Architectures for RF Frequency Synthesizers. // Kluwer Academic Publishers, New York, Boston, Dordrecht, London, Moscow, 2003.-250 p.

30. Gardner F. M., Phaselock Techniques. // 3rd ed., John Wiley and Sons, Inc., New York, 2005. 425p.

31. Kundert K.S., Predicting the Phase Noise and Jitter of PLL-Based Frequency Synthesizers. // Designer's Guide Consulting, Inc. Version 4f, November 2005. www.designers-guide.org

32. Бережняк И.П., Кулешов B.H. Естественные шумы диодного амплитудного детектора. // Радиотехника, 1978. Т. 33, № 11.- С.34-38.

33. Бережняк И.П., Кулешов В.Н. Естественные шумы балансного фазового детектора. // Радиотехника, 1980. Т. 35, № 2. - С.46-48.

34. Бережняк И.П. Шумы в источниках колебаний с кварцевой стабилизацией частоты. // Дисс. канд. техн. наук.: 05.12.01. М.:1980. - 205 л.: ил. - Библиогр.: с. 195 - 205.

35. Алёхин Ю.И., Кириллов М.И., Сингосин С.А. Фазовые детекторы цифровых синтезаторов частот.// В сб.: Стабилизация частоты. Доклады III школы-совещания молодых учёных и специалистов. -ВИМИ, 1980. С.70-74.

36. Алёхин Ю.И., Кириллов М.И. Экспериментальные исследования низкочастотных шумов фазовых детекторов. // Техника средств связи. Радиоизмерительная техника, 1981. -Вып.7. С.30-34.

37. Кулешов В.Н., Попов A.B. Исследование шумов импульсно-фазовых детекторов типа «выборка-запоминание». // Электросвязь, № 10, 1987.-С. 52-54.

38. Попов А.В. Исследование и разработка измерителей флуктуаций фазы в автогенераторах. // Дисс. канд. техн. наук.: 05.12.01. М.: 1987. - 253 л.: ил. - Библиогр. с. 209 - 222

39. Driscoll М.М., Merrell T.D. Spectral performance of frequency multipliers and dividers. // Proc. 1992 Frequency Control Symposium. P. 193 - 199.

40. Fahim, Amr M. Jitter analysis of digital frequency dividers in communication systems. // Proceedings of the 2004 IEEE International Frequency Control Symposium and Exposition, p.p. 169— 173.

41. Brown J.I. "A Digital Phase and Frequency-sensitive Detector." Proc. IEEE, vol. 59, N 4, Apr 1971. -P. 717-726.

42. Sharpe C.A. "A 3-state Phase Detector Can Improve Your Next PLL Design" //EDN, Sept. 1976. -P.55-59.

43. Johnson Т., Ford A., Aberg D., A High-Performance IV Dead-Zone Free Phase-Frequency Detector with Minimized Blind-zone. // Proceedings of Swedish System-on-Chip Conference (SSoC), 2004.

44. Razavi, B. Design of Analog CMOS Integrated Circuits. // McGraw-Hill, New York, 2001.-693 p.

45. Rogers J., Plett C., Dai F. Integrated Circuit Design for High Speed Frequency Synthesis // Boston-London: Artech House, 2006. 478 p.

46. Banerjee, D., PLL Performance, Simulation, and Design, http://www.national.com/appinfo/wireless/deansbook.pdf

47. Chen, R.Y., Modeling the High-Frequency Degradation of Phase/Frequency Detectors. // IEEE Trans, on Circuit and Systems, Vol. 57, №5, May 2010

48. Lee H., Ahn T., Jung D., Park B., Scheme for No Dead Zone, Fast PFD Design. // Journal of the Korean Physical Society, Vol. 40, No. 4, April 2002, pp. 543-545.

49. Nesreen I., Othman M., A Simple CMOS PFD for High Speed Applications. // European Journal of Scientific Research, Vol.33 No.2 (2009), pp.261-269.

50. F.Gasparik, Power Rails Glitch Noise Insensitive Charge Pump, U.S. Patent 6,774,730 B2, Aug. 10, 2004.

51. Normalized Phase Noise in UltraCMOS Devices. // Peregrine Semiconductor Corporation, 2009. http://www.peregrine-semi.com

52. ADF4106 PLL Frequency Synthesizer. Device data sheet. Analog Devices Inc., 2010. http://www.analog.com

53. Fox, A., Ask the Application Engineer 30. PLL Synthesizers. Analog Dialogue 36-03 (2002). http://www.analog.com

54. ADF4002 Phase Detector/Frequency Synthesizer. Device data sheet. Analog Devices Inc., 2007. http://www.analog.com

55. Noise Floor Measurement of PLL Frequency Synthesizers. // National Semiconductor Application Note 1052. Wireless Communication Group, Nov. 1996. http://www.national.com

56. Curtin, M. Design a Direct 6-GHz Local Oscillator with a Wideband Integer-N PLL Synthesizer. // Analog Dialogue 35-6 (2001). http://www.analog.com

57. Дубинский A.B. Высокочастотные широкополосные сложнофункциональные КМОП блоки синтезаторов частот. //Автореферат канд. дисс. М.: МИФИ, 2009

58. Микросхема ФАПЧ 1508ПЛ9Т. Основные технические характеристики. http://multicore.m/index.php?id=656

59. Цыпкин Я.З. Теория импульсных систем. М.: ГИФМЛ, 1958. 724 с.

60. Кулешов В.Н., Морозов А.А. Исследование импульсной системы фазовой автоподстройки частоты.// Радиотехника и электроника. Т.8, №8. 1961.-С. 1334-1343.

61. Рубцов В.А. К вопросу об эквивалентности импульсных и непрерывных систем.// Автоматика и телемеханика. Т.19, №10. 1958.

62. Кулешов В.Н. Синтез следящих систем автоподстройки частоты. . // Дисс. канд. техн. наук.: 05.12.01. М.:1965. - 213 л.: ил. - Библиогр.: с. 208-214.

63. Матюшин О.Т. Цифровые радиотехнические устройства. Под ред. А.К. Нарышкина. -М.: Изд-во МЭИ, 1989. 96 с.

64. Матюшин О.Т. Цифровые радиотехнические субсистемы. Под ред. А.К. Нарышкина. -М.: Изд-во МЭИ, 1991. 132 с.

65. Ричман П. Физические основы полевых транзисторов с изолированным затвором./ Пер. с англ. под ред. Смолко Г.Г. М.: Сов. радио, 1971. - 144 с.

66. Ihantola, H.K. J., Design theory of a surface field-effect transistor, Stanford Research Technical Report No. 1661-1, Stanford University, 1961.

67. Электронные приборы: Учебник для вузов/ Под ред. Г.Г.Шишкина. -М.: Энергоатомиздат, 1989.-496 с.

68. Аваев H.A., Наумов Ю.Е., Фролкин В.Т. Основы микроэлектроники. -М.: Радио и связь. 1991. 288 с.

69. Шишкин Г.Г., Шишкин А.Г. Электроника: учеб. для вузов. М.: Дрофа, 2009. - 703 с.

70. Базовые ячейки функциональных узлов радиоэлектронных устройств на полевых транзисторах: конспект лекций // В.Н. Кулешов, Т.И. Болдырева, М.В. Томашевская; под. ред. В.Н. Кулешова. М.: Издательство МЭИ, 2005. 104 с.

71. Tsividis, Y.P. Operation and Modeling of the MOS Transistor. // McGraw-Hill, NewYork, 1987.

72. Ritchie, G.J., Transistor circuit techniques. Discrete and integrated. // 3d edition, Department of Electronic Systems Engineering, University of Essex, 1993.

73. Мамонкин И.Г. Усилительные устройства. Учебное пособие для вузов. Изд 2-е, доп. и перераб. М.: Связь, 1977.

74. Kwok, К.Н., Ping К.К., Chenming Н., A Physics-based MOSFET Noise Model for Circuit Simulators. // IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 37, No. 5, May 1990.

75. Christensson S., Lundstrom L., Svensson C. Low Frequency Noise in MOS Transistors: I. Theory; II. Experiments. // Solid State Electronics. Vol. 1, 1968.-P. 797-812, 813-820.

76. Aleksic M., Nedovic N., K., Current K.W., Oklobdzija V.G. Jitter Analysis of Nonautonomous MOS Current-Mode Logic Circuits. // IEEE Trans, on Circuits and Systems, Vol. 55, №10, Nov. 2008, p. 3038 3041.

77. Seckin U. Chih-Kong K.Y. Comprehensive Delay Model for CMOS CML Circuits. // IEEE Transactions on Circuits and Systems, Vol. 55, №9, Oct. 2008. p. 2608-2618.

78. Ван дер Зил А. Шум; источники, описание, измерение. М.: Сов.радио, 1973.-228 с.

79. Mills, Т.В., CMOS Gate Oscillator Design. // Proc. 41-st Ann. Frequency Control Symposium, 1987. P. 450-455.

80. Razavi, В., A Study of Phase Noise in CMOS Oscillators. // IEEE Journal on Solid-state circuits, Vol. 31, No. 3, March 1996.

81. Малахов A.H. Флуктуации в автоколебательных системах.// М.: Наука, 1968.-660 с.

82. Лисон Д. Простая модель спектра шума генератора с обратной связью. // ТИИЭР. 1966. - Т.54, №2. - С.251-253.

83. Жалуд В., Кулешов В.Н. Шумы в полупроводниковых устройствах. // Под общей ред. А.К. Нарышкина. Совместное советско-чешское издание. М.: Сов. Радио, 1977.-416 с.

84. Кулешов В.Н. Полигармонический анализ флуктуаций в автогенераторах. //Радиотехника, №12, 1989. — С.17-23.

85. Rohde U., Poddar A., Bock G. Design of Modern Microwave Oscillators for Wireless Applications.// Johv Wiley and Sons, Inc. New York, 2005. -543 p.

86. Nelson L.M., Nelson C.W., Relationship of AM to PM Noise in Selected RF Oscillators. // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectronics, and Frequency Control, Vol. 41, No. 5, Sept. 1994.

87. Петровский И.И., Прибыльский A.B., Троян A.A., Чувелев B.C. Логические ИС КР1533, КР1554. Справочник. Изд-во "Бином", 1993. -4.1.-254 е., 4.2.-254 с.

88. Капранов М.В., Кулешов В.Н., Уткин Г.М. Теория колебаний в радиотехнике. Учебное пособие для вузов. М.: Наука, 1984. — 320 с.

89. Альтшуллер Г.Б., Елфимов H.H., Шакулин В .Г. Кварцевые генераторы. / Справочное пособие. М.: Радио и связь, 1984. - 232 с.

90. Кулешов В.Н., Жабин A.C. Исследование влияния внутренних шумов на работу частотно-фазового детектора. // Международная научно-техническая конференция к столетию со дня рождения В.А.Котельникова. Октябрь 2008 г., Москва, Россия., стр. 90-92

91. Жабин A.C., Кулешов В.Н., Голубков A.B. Собственные шумы ИЧФД и их влияние на работу синтезатора частот. М.: Вестник МЭИ, № 1 / 2011., стр. 60-68

92. Жабин A.C., Кулешов В.Н. Экспериментальное исследование фазовых шумов в автогенераторах на КМОП-инверторах. // Электросвязь, №3, 2010, стр. 34-37

93. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. Изд. 4-е, перераб. и доп. М.: Высшая школа, 2003. — 464 с.

94. Баскаков С.И. Лекции по теории цепей. 4 изд. М.: КомКнига, 2005, -280 с.

95. Амосов A.A., Дубинский Ю.А., Копченова Н.В. Вычислительные методы для инженеров: Учеб. пособие. М.: Высш. шк., 1994. 544 с.

96. Макаров Е.Г. Инженерные расчеты в Mathcad. Учебный курс. СПб.: Питер, 2005. 448 с.

97. Гурский Д.А., Турбина Е.С. Вычисления в Mathcad 12. СПб.: Питер, 2006. 544 с.

98. Очков В.Ф. Mathcad 8 Pro для студентов и инженеров. — М.: КомпьютерПресс, 1999. — 523 с.

99. Surface Mount Voltage Controlled Oscillator ROS-2500-1419+ // http://www.minicircuits.com/pdfs/ROS-2500-1419+.pdf

100. Voltage Controlled Oscillator ROS-3000-819+// http://www.minicircuits.com/pdfs/ROS-3000-819+.pdf

101. Oven Controlled Crystal Oscillator VTD3 OX-042 / Vectron International, http://www.vectron.com/product/tcxo/tcxo index.htm

102. Высокостабильный термостатированный кварцевый генератор «ТОПАЗ» / Омский НИИ Приборостроения (ОНИИП). www.oniip.ru

103. Высокочастотный прецизионный малошумящий кварцевый генератор ГК87-ТС // http://www.morion.com.ru/catalog pdf/GK87-TS.pdf

104. Листинг программы (МШксасГ) для численного решения системы нелинейных дифференциальных уравнений методом Эйлера.

105. Длительность импульса ти:=4-10"9с

106. Шаг временной сетки тш:=0.1 • 10"10 с Количество рассчитываемых точек N := п:=1п:=п-тшизии1п ^ изии2пшисии2п1. О О1. Епит 21. Епит1. Шии1о • Изии2о•исии1о• 11сии2о ■Ап <- Оwhile п < N

107. Листинг программы (МаЖсасГ) расчетов уровней фазовых шумов выходного колебания СЧ и системой ФАПЧ.

108. Аппроксимация СПМ фазовых шумов подстраиваемого генератора ПЮ5-2500-1419+, ф.Млш-ОгсиИз)к := 0,0.01. 7 &(к) 10к 1русо := 1-106 Гц

109. НУСО := 20-0.475-10" f := 1,100. 1-Ю7 Гц151. ЭУСО^) := НУСО1 +1. Фусо21 / J

110. Бк усо(Г) := 101о§(8усо(Г)) — 81§усо(10) = -40.223 —1. Гц Гц$1ёУсо(1000) = -80.223 — 81§усо(100) = -60.223 дБн1. Гц1. Гц Гц81§усо(й(к))-70 -80 -90 -100 -110 -120 -130 -140 -150 -1601 -10"1 -101 -10^г(к)1 -10

111. Крутизна регулировочной характеристики: 8рег := 30-106 Гц В1 -10

112. Аппроксимация СПМ фазовых шумов эталонного генератора (ГК87-ТС-Д1-61,44000 М, ф.Морион)ф0сэ := 0.0020-106 Гц Гр1сз := 0.2-106 Гц Нсб := 7.5-10 161. Бег := 61.44-106 Гцф1С8V

113. З^сзф := Юк^сБ^)) — 81§сз(10) = -65.143 дБн1. Гц8^сз(1000) = -105.228дБн Гц81§С8( 100) = -85.221. Э^сб^О-Ю3) = -125.218 —1. Гц1. Гц дБн Гц1. Параметры ЧФД:1 -10"1.104 1-Ю5к)1.Ю6 МО7

114. Крутизна дискриминационной характристики: 8чфд := Параметры фильтра:0005 А2.7Г радупр

115. Ш:=4-Ю3Ом Я2 := 3-103 Ом С1 := 581-10 12 Ф С2:=5.1-10"9Ф СЗ := 270-10" 12 Ф1. Zl(},(o)■.ггО.ш):1. Zз{},(й) := гфО.со) :1. Л'со-С!ю +1. Я2 +-со-СЗ11. Zl{.,(й)^Z2{},(o)•ш-СЗ Zl(j,v)■Z2{},to) +Z\{},<»)^ZЗ{.,G>) +Z2(],(D)^Zз(^h<й)

116. Кт(0:= |гфО,2-я-Г)| ф(0 агё(гф0,2-ти^)). 8чфд-гфр,со)-8регусо

117. Синтезируемая частота: := 2320-10 ГцП

118. Коэффициент умножения >1(ГО) := —1. ГО1. М(ГО) :=1. Бе! ГО"

119. Коэффициент передачи замкнутой системы:1Г г- f Кр,2-7г^) КзОД,ГО) := --1 +--К(к2-тс-г)

120. Коэффициент передачи разомкнутой системы:1. К1(Г,ГО) := ——К0,2-7С-£)

121. К11(^ГО) := |К1(£,ГО)| К22(£,ГО) := |КзаД,ГО)|

122. СПМ фазовых шумов выходного колебания кольца ФАПЧ (без учета шумов ЧФД и делителя):2