基于带宽补偿的自校准快速锁定锁相环的设计与实现

发布时间：2020-11-21 04:41

　　 锁相环具有跟踪输入信号相位和频率,输出稳定频率时钟信号的能力,被广泛应用于各个领域,不论是在通讯系统,微处理器电路或者存储电路中都起着非常重要的作用,甚至能够直接决定整个系统的工作稳定性和各项指标的优劣。近年来随着信息领域和微处理器的飞速发展,系统的工作频率已经高达几十GHz,芯片尺寸一再缩小,不断减小的芯片面积意味着需要更低的能耗,不断提高的工作频率意味着需要更好的噪声性能等等,这对锁相环电路的设计提出了更高的要求。由于电荷泵锁相环具有易于集成、能耗低、捕获范围宽等特点,本文将对电荷泵锁相环理论知识进行研究,设计一款为基带芯片提供可变频率时钟的电荷泵锁相环。本文首先分析锁相环的基本原理、环路传输函数、噪声以及带宽等关键参数。进而讨论各个子模块及参数对系统性能的影响,并详细分析了开关电容做基准源的设计技术,以及可变调谐曲线压控振荡器的实现方法。最后基于22nm的FinFET CMOS工艺,设计了一款能够快速锁定并自动校准工艺偏差的低功耗锁相环。使用Spectre工具进行了仿真验证,最终设计出的电荷泵锁相环可输出230.4MHz~1420.8MHz频率范围内与输入频率38.4MHz呈整数倍的时钟信号,在所有工作环境下锁定时间小于2μs,相位噪声低于-80dBc/Hz。本文设计中使用开关电容电路取代了传统电荷泵锁相环中的带隙基准电路来作为电荷泵的电流基准源,其好处在于能够通过开关电容随环境的变化补偿环路带宽,有利于提高整个系统的稳定性。最终仿真结果表明,在所有的工作条件下,相较于固定1μA电流做基准源的电荷泵锁相环结构,开关电容做基准源的结构使得整个环路的带宽变化量减小了44%。在压控振荡器方面,采用了可以通过外部四位数字信号控制振荡器并联级数的结构,扩展了输出频率范围,并使得压控振荡器的控制电压保持在调谐曲线线性度较好的区间,在所有工作条件下都处于0.45V~0.65V范围内。由于FinFET工艺对电路的可靠性有更为严苛的要求,本次设计还对电路进行了EOS(电气过应力)、AGING(器件老化)、EM(电迁移)以及SH(自热效应)等可靠性方面的仿真,仿真结果表明电路有良好的工作可靠性,可以满足工业标准。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN911.8
【部分图文】：

第四章 电荷泵锁相环电路设计与仿真39图4.7 鉴频鉴相器的时序图本文使用的鉴频鉴相器很好地改善了死区的问题，因为在两个输出都为高触发RESET 后，需要经过一个 N 管放电时间，一个 P 管充电时间才能传播到 QA和 QB端，再加上四个反相器地延迟后才能传播到电荷泵地开关控制端，有充足地时间使得电荷泵开关可以完全打开或关闭。4.3开关电容电流基准源锁相环系统的带宽是一个非常重要且需要折衷的值，一方面要考虑系统的锁定时间，另一方面也要对系统的带内带外噪声进行折衷考虑。本文设计中，为了减小温度，工艺偏差等问题对带宽的影响

件下的带宽分布和使用固定 1μA 电流下的带宽分布的对比图。I_sciref 代表使用了开关电容结构时的环路带宽曲线，I_fixed 代表使用固定 1μA 时的环路带宽曲线。图4.12 两种情况下的带宽对比经过计算，两种情况下带宽的变化标准差分别为 102kHz 和 185kHz，表格 4.2 中为带宽的具体数据。可以看到，使用开关电容后，带宽值变化幅度大大减小，因此可以得到结论，开关电容做电荷泵电流源使得带宽变得更加稳定，这对整个电荷泵锁相环的性能是有帮助的。GBWin Isciref为使用开关电容结构时的环路带宽，GBWin Ifixed为固定 1μA 电流时的环路带宽。表4.2 不同工艺模型下两种情况的带宽值tttt rfff rsss rffs rssfGBW in Isciref(MHz) 0.875 0.817 0.913 1.01 0.818GBW in Ifixed(MHz) 0.849 0.950 0.739 1.11 0.6244.4电荷泵设计理想的电荷泵锁相环具有无限的环路直流增益，如果电荷泵是理想的，那么就可以实现零静态相位误差，但实际中的电荷泵不可能实现这些完全理想的特性。对于电荷泵电路的非理想特性在前面的章节已经有过详细分析

西安电子科技大学硕士学位论文个电荷泵模块有 7 组此结构的开关电路，分别对应了 21 路的充放电断由信号 disable 信号决定，每个开关电路地 disable 信号由外部的控制，实现充放电电流地可编程，不同地分频比 N 对应不同的 ki 值稳定性。ki<2:0>信号和充放电电流 Icp大小的关系见表格 4.3。表4.3电荷泵充放电电流大小与 ki<2:0>的关系i<2:0> 001 010 011 100 101 110 p(μA) 1.3 2.7 4.1 5.4 6.8 8.2 荷泵通过对低通滤波器中的电容充当电来控制压控振荡器的控制端电波形如图 4.15 所示。
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本文编号：2892539