SSE Smart System-Engineering HF-Front-Ends Hinz, Könenkamp, Horneber 05.11.00, Folie 1 Modellierung...

Hinz, Könenkamp, Horneber 05.11.00, Folie 1

SSESmart System-Engineering HF-Front-Ends

Modellierung und Simulation einer klassischen

digitalen Phasenregelschleife

Michael HinzIngo KönenkampErnst-H. Horneber

Institut für Netzwerktheorie und Schaltungstechnik

Technische Universität Braunschweig [email protected]



Inhalt

• Verhaltenmodellierung

• Nichtlineares Modell einer PLL

• Modellierung spezieller begrenzender Effekte

• Periodic Steady State-Analyse und HF-Eigenschaften

• Simulation

• Ergebnisse und Ausblick



Verhaltensmodellierung

• Die Simulation von Verhaltensmodellen erlaubt die Ermittlung des Sytemverhaltens in einem frühen Designstadium

– Top Down DesignImplementierung des prinzipiellen, funktionalen Verhaltens,einstellbare Parameter, einfache Parameterabhängigkeiten

– Bottom Up Designweitere Parameterabhängigkeiten erkennen, beschreiben und nachträglich ins Modell integrieren

• Methodik– genaue Verhaltensbeschreibung der Funktionsblöcke– Umsetzung des Verhaltens in math. Gleichungen zur

Implementierung in einer Verhaltensbeschreibungspache– Validierung des Modellverhaltens mittels Simulation



Nichtlineares Modell

• Klassische digitale Phasenregelschleife (phase locked loop, PLL) als programmierbarer Frequenzsynthesizer:

1out fNf



Modellierte Effekte

• VCO– Ausgangsamplitude abhängig von Zeit und Frequenz – Begrenzung des Abstimmbereichs– frequency pushing– Harmonische am Ausgang

• PFD– Ausgangsverzögerung und Anstiegs- und Abfallzeit– Reset Verzögerung

• CP– begrenzte Ströme oder Spannungen– Mismatch von Strom- oder Spannungsquellen

• DIV– programmierbares Teilerverhältnis



Spezielle begrenzende Effekte: VCO

• Abstimmbereich des VCO– VCO Kennlinie mit K0 als VCO-Verstärkungskonstante und f0 als

Freilauffrequenz bei U0

minabmin

maxabmin0ab*00

maxabmax

out

UUf

UUU)UU(Kf

UUf

f



Spezielle begrenzende Effekte: PFD

• PD mit Toter Zone – Tote Zone = Absinken der Phasendetektorverstärkung bei

kleiner werdenden Phasenunterschieden– Ursache liegt in den endlichen

Anstiegs-und Abfallzeiten des PFD undder Eingangstriggerschwelle der CP



Spezielle begrenzende Effekte: CP

• CP mit Stromquellen– Lade- und Entladestrom abhängig von detektiertem Zustand– Spannungsbegrenzung durch Klemmung mittels idealer Diode – Versorgungsstrom nur im Ladefall



Periodic Steady State-Analyse im HF-Front-End

• Warum muß die PLL einer PSS-Analyse unterzogen werden?

PSS-Analyse verwendbar für die Charakterisierung im Frequenzbereich

das Ausgangsspektrum einer realen, nichtlinearen PLL enthält Harmonische und Störsignale

• Die Ausgangsfrequenzen der PLL beeinflussen:– die Selektivität des Empfängers

– die spektrale Reinheit des Senders

• Konventionelle Modelle erzeugen hidden states bei PSS-Analyse, die bei Zustandspeicherung auftreten

– in der PLL ist Zustandspeicherung im Frequenzteiler und im PFD unvermeidlich

Wie können hidden state vermieden werden?



Periodic Steady State-Analyse im HF-Front-End

• Forderung: Erzeugung eines Signals, dessen Höhe Forderung: Erzeugung eines Signals, dessen Höhe proportional zu einer auftretenden Zustandsänderung proportional zu einer auftretenden Zustandsänderung istist– beim Nulldurchgang eines Signals wird eine Flanke mit

festgelegter Anstiegszeit mittels der Transition-Zuweisung erzeugt

– das entstandene Signal wird abgleitet

– und die Ableitung wird wieder integriert

Das resultierende Signal ist unabhängig von Frequenz und Amplitude

des Eingangssignals

• Beispiel in VerilogA:

V(rect) <+ transition(V(in)>0,0,trect);V(diff) <+ ddt(V(rect));v_integ = idt(abs(V(diff)),0.0,reset_pulse>0.5);



Simulation

• Simulation der nichtidealen PLL– Laden und Entladen der Kapazitäten des Loopfilters– quasi digitaler Ausgang des PFD nur durch Loopfilter geglättet

Oszillation der Abstimmspannung

Frequenzmodulation (FM) des VCO-Ausgangssignals

FM Spektrum mit Referenzfrequenz f1 als Modulationsfrequenz

– Referenzunterdrückung in

[dBc]

10out fmff



Simulation

• Transiente Simulation der nichtidealen PLL – Uab proportional Ausgangsfrequenz fout

– Einrasten der PLL ohne Spannungsbegrenzung mit

Spannungsbegrenzung in der CP bei 2,6V

Welligkeit verursacht durch nichtlineares PFD-Model

Spannungsbegrenzung vermindert Abstimmbereich



Simulation

• PSS-Simulation der nichtidealen PLL– eingeschwungener Zustand

Zeitbereich Frequenzbereich



Ergebnisse und Ausblick

• Ergebnisse

– PLL-Modell liefert Ergebnisse unter nichtlinearen, nicht idealen Bedingungen

– Methode zur Vermeidung von hidden states auf andere HF-Blöcke anwendbar

– PSS-Fähigkeit der Modelle läßt die Charakterisierung im Zeit- und Frequenzbereich zu

z. B. ist die Ermittlung der Referenzunterdrückung wichtig im HF System Design

• Ausblick– Rauschmodellierung im Zeit- und Frequenzbereich

(phase noise, timing jitter)

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