数字陀螺系统中锁相电路的设计

发布时间：2017-03-16 14:04

  本文关键词：数字陀螺系统中锁相电路的设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：微机电和集成电路技术的发展,使得MEMS陀螺系统未来的发展需求趋于数字化和智能化。MEMS数字陀螺系统分为机械表头部分和ASIC接口电路部分,而ASIC接口电路在数字陀螺系统中有着不可替代的作用,从而数字陀螺接口电路成为了许多研究人员研究和设计的热点,本文就针对数字陀螺系统,设计了数字陀螺系统中的锁相电路来生成系统中所需的时钟信号。本文讨论了数字陀螺系统中锁相电路系统以及系统中子模块的工作方式。建立了其线性化数学模型,根据数学模型分析了系统的性能,如环路带宽等。然后对系统中各模块的相位噪声分布和传输机制进行了详细讨论。在此基础上依据设计指标和环路带宽对锁定时间和相位噪声的影响,折衷考虑并计算给出了电荷泵锁相环系统的关键参数,并且利用Matlab和simPLL对其进行了行为级建模来仿真验证和优化设计所得的系统关键参数。利用计算的系统关键参数,并且合理的选取各模块的电路结构,使用Cadence Spectre设计并仿真了系统中的各个模块的具体电路。最终设计的宽摆幅电荷泵电路的电流失配在1%之内,设计的压控振荡器的相位噪声性能为最终系统的总相位噪声设计指标留足了裕量。对系统整体进行前仿真之后,系统的锁定时间达到10ms。基于0.35um工艺设计实现了锁相环系统的版图,并利用Calibre和Spectre对设计的版图提取寄生参数并进行了后仿验证,最终设计的系统的参考信号频率为4KHz,输出信号频率则包括1~20MHz这一范围,在考虑寄生参数之后,在分频比1250.25时系统的后仿真锁定时间为12.5ms。而系统输出端总的相位噪声为-70.64 dBc/Hz@100Hz、-76.57dBc/Hz@1KHz。
【关键词】：锁相环 环路带宽 锁定时间 相位噪声
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH-39;TN402;TP391.9
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-8
• 第1章 绪论8-15
• 1.1 课题来源及背景8-9
• 1.2 国内外研究现状9-13
• 1.2.1 国外研究现状10-12
• 1.2.2 国内研究现状12-13
• 1.3 课题目的和意义13
• 1.4 论文主要研究内容13-15
• 第2章 锁相环电路基本原理及理论15-31
• 2.1 锁相环基本原理15-17
• 2.1.1 整数型锁相环15-16
• 2.1.2 小数型锁相环16-17
• 2.2 电荷泵锁相环各模块基本原理及数学模型17-28
• 2.2.1 鉴频鉴相器（PFD）17-18
• 2.2.2 电荷泵（CP）18-22
• 2.2.3 环路滤波器22-23
• 2.2.4 压控振荡器23-25
• 2.2.5 分频器25-27
• 2.2.6 ΔΣ调制器27-28
• 2.3 电荷泵锁相环系统数学模型28-30
• 2.4 本章小结30-31
• 第3章 相位噪声分析和系统级设计31-39
• 3.1 相位噪声31-34
• 3.1.1 相位噪声和时钟抖动31-32
• 3.1.2 各模块和系统相位噪声分析32-34
• 3.2 系统设计34-38
• 3.3 本章小结38-39
• 第4章 系统电路设计与仿真39-61
• 4.1 各模块电路设计39-53
• 4.1.1 鉴频鉴相器39-41
• 4.1.2 电荷泵41-45
• 4.1.3 环路滤波器45-46
• 4.1.4 压控振荡器46-49
• 4.1.5 分频器49-52
• 4.1.6 ΔΣ调制器52-53
• 4.2 系统整体仿真53-55
• 4.3 系统版图设计及后仿验证55-60
• 4.3.1 关键模块版图设计和仿真分析55-58
• 4.3.2 系统整体版图设计和仿真分析58-60
• 4.4 本章小结60-61
• 结论61-62
• 参考文献62-68
• 致谢68

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