基于CMOS工艺的低杂散低抖动锁相环的研究与设计

发布时间：2017-05-11 03:18

  本文关键词：基于CMOS工艺的低杂散低抖动锁相环的研究与设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来,随着通信、计算机、消费电子等的快速发展,需要产生、传输和处理的数据量日益增加,所以,设计高速IO接口电路的挑战也在日益增加,在高速IO接口电路的电气连接系统中,锁相环常用来提供发射端的发射时钟,为了确保高速数据能准确地发送,发射时钟需要高频而且低杂散低抖动。本文分别研究了在整数分频锁相环和分数分频锁相环中如何实现低杂散和低抖动性能,并通过了理论分析和仿真验证。一个高性能的锁相环中VCO的设计是关键。在VCO的设计中,相位噪声、功耗是它的关键指标。本文设计了一个低噪声低功耗的VCO,并在180 nm CMOS工艺下进行了仿真验证,输出信号中心频率为2.396 GHz时,由于采用了自开关偏置技术和退耦合电容,在10 kHz频偏处的相位噪声低达-71.94 dBc/Hz;由于体偏置技术的采用,其供电电压低达0.5 V。为了满足10Gbps SerDes中发射时钟的应用需求,设计了一个多相位多频率输出的锁相环,其采用QVCO作为振荡器产生了4个等相位间隔的5.15625 GHz时钟,QVCO的输出时钟经过二分频差分缓冲器后能实现8个等相位间隔的2.578125 GHz时钟。此外,在电荷泵中采用负反馈结构降低了它的静态电流失配,从而能得到较好的参考杂散。该锁相环在40 nm CMOS工艺下实现并进行了后仿验证。为了实现锁相环的低抖动和低杂散性能,设计了一个5.15625 GHz的亚采样锁相环,它采用QVCO产生4路等相位间隔的时钟。为了实现低杂散,其使用差分缓冲器和互补开关对减小了CP对杂散的恶化,使用Dummy采样器和CML隔断缓冲器进一步减小了QVCO对杂散的恶化。由于环路中没有分频器,则电荷泵和亚采样相位探测器(SSPD)的噪声不会增加N2倍,从而环路的抖动性能得到了改善。该SSPLL在40 nm CMOS工艺下实现并进行了仿真验证。在分数频率锁相环中,环路传输特性的非线性会导致Σ△调制器的量化噪声混叠,从而恶化环路的带内噪声。本文提出了一种低杂散线性化的技术：在电荷泵输出端添加脉冲偏置电流,它与固定偏置电流一样能实现PFD/CP传输特性的线性化,并且参考杂散不会被恶化。为了验证该低杂散线性化技术的有效性,通过了理论分析和仿真验证。
【关键词】：锁相环 压控振荡器 相位噪声 低抖动 低杂散 噪声混叠
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN432;TN911.8
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-15
• 第1章 绪论15-23
• 1.1 论文研究背景15-19
• 1.1.1 高速IO接口概述15-16
• 1.1.2 高速IO接口现状16-17
• 1.1.3 高速IO接口中锁相环的概述17-19
• 1.2 论文主要的研究贡献19-21
• 1.3 论文各部分的内容安排21-23
• 第2章 锁相环概述23-44
• 2.1 基本概念23-27
• 2.2 电路实现27-36
• 2.2.1 鉴频鉴相器28-29
• 2.2.2 电荷泵29-34
• 2.2.3 低通滤波器34-35
• 2.2.4 压控振荡器35-36
• 2.2.5 分频器36
• 2.3 PLL环路分析36-42
• 2.4 本章小结42-44
• 第3章 低功耗低相位噪声的VCO44-59
• 3.1 振荡器分类简介44-46
• 3.2 振荡器的选择46-47
• 3.3 VCO的相位噪声47-51
• 3.4 VCO的相位噪声降低技术51-53
• 3.5 低功耗VCO的设计53-54
• 3.6 低功耗低噪声VCO的设计54-58
• 3.7 本章小结58-59
• 第4章 多相位多频率输出的整数分频锁相环59-78
• 4.1 锁相环架构59-60
• 4.2 电路模块设计60-74
• 4.2.1 PFD的设计60-61
• 4.2.2 电荷泵的设计61-67
• 4.2.3 QVCO的设计67-69
• 4.2.4 分频器的设计69-73
• 4.2.5 二分频差分缓冲器的设计73-74
• 4.3 环路仿真结果74-76
• 4.4 版图76
• 4.5 本章小结76-78
• 第5章 一种低抖动低杂散的亚采样锁相环的设计78-87
• 5.1 亚采样锁相环架构79-80
• 5.2 环路分析80-81
• 5.3 电路模块设计81-84
• 5.3.1 SSPD/CP的设计81-82
• 5.3.2 差分缓冲器的设计82-83
• 5.3.3 QVCO的设计83
• 5.3.4 含死区的PFD/CP的设计83-84
• 5.4 环路仿真结果84-86
• 5.5 本章小结86-87
• 第6章 一种应用于分数分频锁相环的低杂散线性化技术87-100
• 6.1 量化器噪声产生机理87-88
• 6.2 数字∑△调制器88-92
• 6.3 量化噪声降低技术92-94
• 6.4 噪声混叠效应94-96
• 6.5 低杂散线性化技术96-99
• 6.6 本章小结99-100
• 第7章 总结与展望100-103
• 7.1 论文工作总结100-102
• 7.2 研究展望102-103
• 参考文献103-110
• 致谢110-111
• 在校期间发表的学术论文和研究成果111

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