一种新型电荷泵锁相环电路的设计

发布时间：2017-09-13 07:11

  本文关键词：一种新型电荷泵锁相环电路的设计

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【摘要】：随着高速通讯技术的发展,串行通信、3G无线通信已成为主要的通信数据传输方式。作为数据传输的接收器离不开时钟数据恢复电路(CDR),它对接收器的性能有重大影响。而CDR需要高速度、低抖动、低相位噪声的锁相环(PLL)时钟电路提供保障。因此,对高性能PLL的研究成为国内外研究热点。本论文采用了Top-Down(顶层-底层)的设计方法,根据系统设计的要求指导底层模块的设计,设计实现了一种新型电荷泵锁相环(CPPLL)。该电荷泵锁相环由动态鉴频鉴相器、基于常数跨导轨到轨运算放大器的电荷泵、差分型环形压控振荡器、二阶环路滤波器和整数分频器组成。首先,为了能够有效的缩短设计周期,提高设计效率,并且从系统级优化电路的性能,本文对CPPLL进行了系统设计。为了直观的观察CPPLL的锁定时间和控制电压,评估CPPLL是否正常工作,采用了Verilog-A对CPPLL进行建模,提高设计效率;为了避免CPPLL闭环系统因环路滤波器的设计不合理造成环路发生失锁现象,产生不必要的反复修改电路的情况,采用了Matlab进行了环路稳定性的建模和仿真,增加了设计的准确性;为了更好地设计和优化电路,提升CPPLL的整体相位噪声性能,采用了Cppsim工具对系统相位噪声进行了仿真分析,有效指导了后面底层模块的设计。然后,对CPPLL的各功能模块进行了设计。具体为:(1)为了降低电荷共享和电流失配对锁相环电路频谱产生的影响,采用了基于常数跨导轨到轨运算放大器结构的电荷泵;(2)为了消除死区现象对锁相环电路系统引起的不利影响,采用了动态鉴频鉴相器电路;(3)为了实现低抖动、低相位噪声的性能,采用了全差分型结构的环形压控振荡器电路;(4)为了实现宽频率范围的整数分频器的功能,采用了基于电流模逻辑结构的高速8/9预分频器和吞咽预分频器相结合的结构。基于SMIC 0.18-μm CMOS工艺,利用Cadence集成电路工具对设计电路进行了仿真验证。结果表明,动态的鉴频鉴相器,有效消除了死区。新型的电荷泵结构,在输出电压为0.5V~1.5V时将电流失配减小到了2%以下,提升了锁相环频谱质量。采用全差分结构的环形压控振荡器,实现了在频率为1MHz时输出的相位噪声为-96.66dB@1MHz,调谐范围为0.8GHz~1.8GHz,中心频率为1.25GHz,调谐增益为1.5GHz/V,在控制电压0.9V~1.45V范围内,线性调节度良好。电荷泵锁相环锁定后输出电压波动为2.45mV,输出时钟的峰峰值抖动为12.5ps。其在带内的相位噪声为-94dBc/Hz,周期性抖动为8.28ps,相位抖动为24ps。最后利用Cadence集成电路设计工具,对CPPLL电路进行了版图设计,并通过了DRC、LVS的物理验证。
【关键词】：电荷泵锁相环 低抖动 压控振荡器 分频器 轨到轨运算放大器
【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4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 课题研究背景10-11
• 1.2 锁相环的发展及国内外研究现状11-13
• 1.3 本论文主要工作13-16
• 第2章 锁相环电路的基本理论16-28
• 2.1 锁相环电路的基本原理与结构分析16-25
• 2.1.1 鉴频鉴相器18-20
• 2.1.2 电荷泵20-21
• 2.1.3 压控振荡器21-23
• 2.1.4 环路滤波器23-24
• 2.1.5 分频器24-25
• 2.2 锁相环电路的主要性能指标25-27
• 2.2.1 抖动25-26
• 2.2.2 相位噪声26-27
• 2.3 本章小结27-28
• 第3章 电荷泵锁相环电路的系统设计28-38
• 3.1 电荷泵锁相环的系统建模28-29
• 3.2 电荷泵锁相环的稳定性分析29-33
• 3.3 电荷泵锁相环相位噪声分析33-35
• 3.4 本章小结35-38
• 第4章 电荷泵锁相环电路的设计及仿真分析38-60
• 4.1 鉴频鉴相器电路设计与仿真38-41
• 4.1.1 鉴频鉴相器的死区分析38-39
• 4.1.2 鉴频鉴相器的电路设计39-40
• 4.1.3 鉴频鉴相器的电路仿真40-41
• 4.2 电荷泵电路设计与仿真41-49
• 4.2.1 电荷泵的非理想因素分析41-43
• 4.2.2 电荷泵的电路设计43-47
• 4.2.3 电荷泵的电路仿真47-49
• 4.3 压控振荡器电路设计与仿真49-52
• 4.3.1 环形压控振荡器设计中主要性能参数49-50
• 4.3.2 环形压控振荡器的电路设计50-51
• 4.3.3 环形压控振荡器的电路仿真51-52
• 4.4 环路滤波器电路的设计与仿真52-54
• 4.5 分频器电路设计与仿真54-56
• 4.6 电荷泵锁相环整体电路仿真56-58
• 4.7 本章小结58-60
• 第5章 电荷泵锁相环的版图设计60-66
• 5.1 版图概述60-64
• 5.1.1 版图的设计规则60-61
• 5.1.2 版图的非理想效应61-62
• 5.1.3 版图设计的考虑因素62-64
• 5.2 电荷泵锁相环的版图设计64-65
• 5.3 本章小结65-66
• 结论66-68
• 参考文献68-72
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文72-74
• 致谢74

【参考文献】

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1 王p，

本文编号：842257