Modellierung und Simulation einer klassischen digitalen Phasenregelschleife

1. Modellierung und Simulation einer klassischen digitalen Phasenregelschleife Michael HinzIngo KönenkampErnst-H. Horneber Institut für Netzwerktheorie und Schaltungstechnik Technische Universität Braunschweig , m.hinz@tu-bs.de Hinz, Könenkamp, Horneber

2. Inhalt • Verhaltenmodellierung • Nichtlineares Modell einer PLL • Modellierung spezieller begrenzender Effekte • Periodic Steady State-Analyse und HF-Eigenschaften • Simulation • Ergebnisse und Ausblick Hinz, Könenkamp, Horneber

3. 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 Hinz, Könenkamp, Horneber

4. Nichtlineares Modell • Klassische digitale Phasenregelschleife (phase locked loop, PLL) als programmierbarer Frequenzsynthesizer: F = × f N f out 1 Hinz, Könenkamp, Horneber

5. 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 Hinz, Könenkamp, Horneber

6. Spezielle begrenzende Effekte: VCO • Abstimmbereich des VCO • VCO Kennlinie mit K0 als VCO-Verstärkungskonstante und f0 als Freilauffrequenz bei U0 Hinz, Könenkamp, Horneber

7. Spezielle begrenzende Effekte: PFD • PD mit Toter Zone • Tote Zone = Absinken der Phasendetektorverstärkung bei kleiner werdenden Phasenunterschieden • Ursache liegt in den endlichenAnstiegs-und Abfallzeiten des PFD undder Eingangstriggerschwelle der CP Hinz, Könenkamp, Horneber

8. Spezielle begrenzende Effekte: CP • CP mit Stromquellen • Lade- und Entladestrom abhängig von detektiertem Zustand • Spannungsbegrenzung durch Klemmung mittels idealer Diode • Versorgungsstrom nur im Ladefall Hinz, Könenkamp, Horneber

9. Periodic Steady State-Analyse im HF-Front-End • Warum muß die PLL einer PSS-Analyse unterzogen werden?FPSS-Analyse verwendbar für die Charakterisierung im Frequenzbereich F 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 FWie können hidden state vermieden werden? Hinz, Könenkamp, Horneber

10. Periodic Steady State-Analyse im HF-Front-End • Forderung: Erzeugung eines Signals, dessen Höhe proportional zu einer auftretenden Zustandsänderung ist • 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 FDas 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); Hinz, Könenkamp, Horneber

11. Simulation • Simulation der nichtidealen PLL • Laden und Entladen der Kapazitäten des Loopfilters • quasi digitaler Ausgang des PFD nur durch Loopfilter geglättet FOszillation der Abstimmspannung F Frequenzmodulation (FM) des VCO-Ausgangssignals F FM Spektrum mit Referenzfrequenz f1 als Modulationsfrequenz • Referenzunterdrückung in [dBc] Hinz, Könenkamp, Horneber

12. Simulation • Transiente Simulation der nichtidealen PLL • Uab proportional Ausgangsfrequenz fout • Einrasten der PLL ohne Spannungsbegrenzung mit Spannungsbegrenzung in der CP bei 2,6V F Welligkeit verursacht durch nichtlineares PFD-Model FSpannungsbegrenzung vermindert Abstimmbereich Hinz, Könenkamp, Horneber

13. Simulation • PSS-Simulation der nichtidealen PLL • eingeschwungener Zustand Zeitbereich Frequenzbereich Hinz, Könenkamp, Horneber

14. 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 F z. B. ist die Ermittlung der Referenzunterdrückung wichtig im HF System Design • Ausblick • Rauschmodellierung im Zeit- und Frequenzbereich(phase noise, timing jitter) Hinz, Könenkamp, Horneber