应用于临近空间飞行器的Ka波段PLL的设计

发布时间：2017-08-13 07:37

  本文关键词：应用于临近空间飞行器的Ka波段PLL的设计

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【摘要】：本文阐述了临近空间的研究背景,给出了锁相环在临近空间飞行器的应用,并且介绍了锁相环的历史和相关知识。在整体上从基本原理分析、性能优化和电路设计三个方面对临近空间飞行器的Ka波段锁相环进行了研究和设计。首先,本文系统的分析了锁相环的原理,并且对锁相环各个模块性能对整体性能的影响做出了分析,同时讨论了优化方法。在整体设计的部分,给出了具体的设计流程,并且设计了具有最优相位裕度的锁相环。其次,本文完成了从整体分析到具体电路设计和实现的工作。本文采用了带复位端D触发器组成的鉴频鉴相器,在输出端采用两路反相器产生电荷泵所需的相反信号,为了使控制信号具有良好的对称性,在反相器链上采用了锁存器结构,并达到了预期效果；设计了一种基于电流转向原理的电荷泵,并采用了单位增益放大器固定输出电位,满足了电荷泵对充放电流的高匹配性要求：设计了一种高频可重构的压控振荡器,满足了输出两个频段的要求。另外为了减小相位噪声的影响,采用滤波技术进行优化；分频器采用基于真单一结构的D触发器作为基本单元,真单一结构有助于降低功耗,另外真单一结构用到的MOS管较少,减小了版图面积：最后,本文完成了锁相环的物理版图设计。在版图设计中,对压控振荡器、分频器、鉴频鉴相器和电荷泵模块采用对称布局,以达到其高对称性的要求；由于压控振荡器工作频率较高,单独对其加入保护环,以减少噪声干扰。本文使用SMIC 180m Mixed-Signal 1P6M CMOS工艺进行电路原理图仿真、版图设计和提取寄生参数及后仿真,版图面积约为73mm2,最大功耗为45.12mW,输出相位噪声小于90.1dBc/Hz@1kHz,-101.01dBc/Hz@10kHz,-115.7dBc/Hz @100kHz,后仿真锁定时间小于5us,整体设计达到了设计要求。
【关键词】：锁相环 鉴频鉴相器 电荷泵 压控振荡器 分频器
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V443
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-10
• 1 引言10-12
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.2 主要工作及章节安排11-12
• 2 锁相环的基本原理介绍12-19
• 2.1 锁相环原理综述12-16
• 2.1.1 锁相环的分类12-14
• 2.1.2 锁相环的基本结构14-15
• 2.1.3 锁相环的应用15-16
• 2.2 锁相环的主要性能指16-18
• 2.2.1 锁相环的输出范围16
• 2.2.2 锁定时间16-17
• 2.2.3 相位噪声17
• 2.2.4 时钟抖动17-18
• 2.3 本章小结18-19
• 3 锁相环基本模块电路分析19-36
• 3.1 鉴频鉴相器19-21
• 3.2 电荷泵21-28
• 3.2.1 电荷泵基本原理和电路结构21-26
• 3.2.2 鉴频鉴相器和电荷泵的噪声26-28
• 3.3 环路滤波器28-29
• 3.4 压控振荡器29-33
• 3.4.1 压控振荡器原理29-32
• 3.4.2 压控LC振荡器结构32-33
• 3.5 分频器33-35
• 3.6 本章小结35-36
• 4 电路设计和仿真36-59
• 4.1 鉴频鉴相器和电荷泵36-42
• 4.1.1 设计中的非理想效应36-38
• 4.1.2 鉴频鉴相器的设计38-41
• 4.1.3 电荷泵的设计41-42
• 4.2 环路滤波器设计42-44
• 4.2.1 环路滤波器噪声分析42-43
• 4.2.2 参数设计43-44
• 4.3 压控振荡器44-51
• 4.3.1 电感和电容44-46
• 4.3.2 噪声分析46-47
• 4.3.3 压控振荡器的设计47-51
• 4.4 分频器51-55
• 4.4.1 预分频51-52
• 4.4.2 可编程分频52-53
• 4.4.3 分频器仿真53-55
• 4.5 整体仿真55-58
• 4.6 本章小结58-59
• 5 版图设计和后仿真59-68
• 5.1 版图设计流程和失效59-60
• 5.2 版图设计规则60-61
• 5.3 版图设计61-63
• 5.4 版图设计仿真结果63-67
• 5.4.1 锁定时间64-65
• 5.4.2 相位噪声65-66
• 5.4.3 仿真总结66-67
• 5.5 本章小节67-68
• 6 结论68-69
• 参考文献69-72
• 作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果72-74
• 学位论文数据集74

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本文编号：666168