应用于LVDS高速接口的低抖动锁相环的研究与设计

发布时间：2017-05-20 02:09

  本文关键词：应用于LVDS高速接口的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】：随着信息技术的发展,高速的数据采集和传输在宽带通信、工业控制、测试设备、医疗仪器和军用雷达等领域应用日益广泛,基于低压差分信号(Low voltage differential signal,LVDS)高速串行信号传输的接口技术已成为微电子领域的研究热点之一。锁相环作为LVDS高速接口系统的重要模块,其输出噪声性能直接影响整体系统性能。本论文研究工作围绕应用于LVDS高速接口系统的锁相环电路展开,重点研究减小相位噪声的设计方法和技术,主要工作内容包括:(1)对锁相环内部噪声进行了具体分析,并提出了系统级减小噪声的方法。用线性分析法推导了每个噪声源到输出端的传递函数及其噪声贡献,得出锁相环环路参数对输出噪声的影响,提出了优化环路参数减小噪声的方法。采用了合理分配电源电压、片内集成了低压差稳压器(LDO)的方法,减小了电源噪声的影响。(2)对锁相环各个模块电路进行研究,并提出了电路级减小噪声的方法。采用了改进的鉴频鉴相器结构,解决了“死区”的问题,且导通时间仅为632ps,达到了降低时钟抖动的目的;采用了单位增益放大器“自举”型电荷泵结构,减小了由于电荷共享引起的控制电压纹波,其中电流源采用了共源共栅结构,提高了电流源的匹配度,相位噪声仅为-234.9dBc/Hz@1MHz,达到了降低时钟抖动的目的;在滤波器中采用了双控制通路的方法,在保证宽的调节范围的基础上,将环路中压控振荡器的增益减小为单控制通路的1/3,进而达到抑制带内相位噪声的目的。(3)对锁相环版图级进行减小噪声的设计,并给出后仿真结果。基于中芯国际(SMIC)0.18μm CMOS Mixed-signal 1P4M(一层多晶硅四层金属)工艺,采用了根据信号的流向合理布局布线的方法,减小了非理想因素的影响,达到了减小噪声的目的,其版图面积约为700μm*320μm。在输入频率25MHz,输出频率1.6GHz时,后仿真结果表明,环路锁定时间约为4μs,相位噪声特性能够达到-102dBc/Hz@1MHz,总功耗电流为5mA。本文设计的电荷泵锁相环具有锁定速度快、相位噪声小等性能,达到设计指标,满足LVDS高速接口电路的时钟需求。所提出的设计方法对高性能低相位噪声锁相环设计提供了一定的参考和借鉴。
【关键词】：LVDS高速接口 锁相环 低抖动 低相位噪声
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN911.8
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-13
• 1.1 课题的背景及意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-11
• 1.3 论文研究内容11
• 1.4 论文的结构安排11-13
• 第2章 锁相环电路的基本理论13-23
• 2.1 锁相环的基本结构及组成模块13-18
• 2.1.1 鉴频鉴相器（PFD）14-15
• 2.1.2 电荷泵（CP）15-16
• 2.1.3 环路滤波器（LPF）16-17
• 2.1.4 压控振荡器17-18
• 2.1.5 分频器18
• 2.2 锁相环环路传输函数及稳定性分析18-19
• 2.3 锁相环环路参数的定义与推导19-21
• 2.4 本章小结21-23
• 第3章 锁相环噪声分析23-33
• 3.1 时间抖动和相位噪声23-25
• 3.1.1 时间抖动23-24
• 3.1.1.1 确定性抖动23-24
• 3.1.1.2 随机性抖动24
• 3.1.2 相位噪声24-25
• 3.1.3 时间抖动和相位噪声的换算关系25
• 3.2 锁相环系统的相位噪声分析25-31
• 3.2.1 输入参考时钟噪声26
• 3.2.2 鉴频鉴相器和电荷泵噪声26-27
• 3.2.3 环路滤波器噪声27-28
• 3.2.4 振荡器中的相位噪声28-29
• 3.2.5 分频器的噪声29
• 3.2.6 其他噪声29
• 3.2.7 锁相环各噪声源的传递函数29-31
• 3.3 抑制抖动的方法31
• 3.4 本章小结31-33
• 第4章 锁相环的系统设计33-39
• 4.1 锁相环设计流程33
• 4.2 锁相环环路参数设计33-35
• 4.2.1 设计指标要求33-34
• 4.2.2 环路参数设计34-35
• 4.3 锁相环行为级建模与仿真35-36
• 4.4 电荷泵锁相环模块确定36-37
• 4.5 本章小结37-39
• 第5章 锁相环的电路设计39-55
• 5.1 鉴频鉴相器的设计与仿真39-42
• 5.1.1 传统鉴频鉴相器结构39-40
• 5.1.2 改进的鉴频鉴相器结构40-41
• 5.1.3 改进的鉴频鉴相器仿真结果41-42
• 5.2 电荷泵电路的设计与仿真42-45
• 5.2.1 传统的电荷泵结构42-43
• 5.2.2 改进的的电荷泵结构43-44
• 5.2.3 改进的电荷泵仿真结果44-45
• 5.3 环路滤波器的设计与仿真45-48
• 5.3.1 常用的环路滤波器结构45-46
• 5.3.2 环路滤波器结构46-48
• 5.4 环形振荡器的设计与仿真48-51
• 5.4.1 传统的环形振荡器结构48-49
• 5.4.2 改进的环形振荡器结构49
• 5.4.3 改进的环形振荡器仿真结果49-51
• 5.5 分频器的设计51-52
• 5.5.1 分频器的电路设计51-52
• 5.5.2 分频器的仿真结果52
• 5.6 低压差线性稳压器(LDO)的设计52-54
• 5.7 本章小结54-55
• 第6章 版图设计及后仿真验证55-65
• 6.1 工艺制造对版图设计的要求55-56
• 6.2 版图设计中引入的非理想效应56-59
• 6.2.1 串扰56-57
• 6.2.2 失配57-58
• 6.2.3 噪声58-59
• 6.3 电荷泵锁相环版图设计59-61
• 6.4 锁相环的整体性能仿真61-63
• 6.5 本章小结63-65
• 结论65-67
• 参考文献67-71
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文71-73
• 致谢73

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本文编号：380431