高速PLL的研究与设计

发布时间：2017-08-11 22:13

  本文关键词：高速PLL的研究与设计

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【摘要】：随着无线通信技术的高速发展,通信系统对数据传输速率的要求也越来越高。45GHz的Q波段由于其低损耗、低功耗、大吞吐量特性而相比其他波段更适合于中远距离的信号传输,因而成为近几年高速传输领域研究的热点。随着IEEE 802.11.aj任务组工作的推进,关于45GHz频段的特性研究、应用测试及系统开发已日趋完善。高速系统的出现对高精度、高品质的高速时钟的要求已经显现。然而,当前多数关于45GHz的文章主要集中在系统级的应用,具体到CMOS级的电路研究尚少。研究与设计基于IEEE 802.11.aj协议,适用于45GHz Q波段信号传输的高速高精度锁相环对高速无线系统的发展有着重要意义。本文研究与设计的目标是:基于标准SMIC 0.13μm MS/RF 1P8M CMOS工艺,设计一款适用于45GHz Q波段的高速全集成锁相环。主要研究内容包括:锁相环环路设计与性能指标分析,锁相环高频模块设计方法与实现,锁相环电路分解与模块电路设计,锁相环版图实现及后仿验证。在环路指标确定与验证之后,本文对高速锁相环系统进行模块分解,分别进行高速和中低速电路的研究与设计。其中,针对SMIC 0.13μm MS/RF 1P8M CMOS工艺存在的工艺频率极限对本文锁相环电路关键模块设计带来的挑战,本文通过改进传统LC-VCO的谐振腔结构,有效的将VCO谐振频率提高了66%,保证了锁相环输出频率的指标要求。通过提取部分版图信息进行后仿,本文后仿条件下的锁相环输出中心频率为45GHz时,tt工艺角下的锁定时间为5.2μs,1MHz处的相位噪声为-88.21 dBc/Hz,功耗为35.7mW,FOM值为-230.3dB,面积为769×516μm2。tt工艺角下的锁定频率范围为44.6~45.6GHz,对应的VCO调谐频率为43.05~46.29GHz。
【关键词】：锁相环 Q波段 压控振荡器 阻抗变换
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN911.8;TN432
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-15
• 第一章 绪论15-20
• 1.1 课题研究背景15-16
• 1.2 课题研究现状16-17
• 1.3 本文的研究内容及论文结构17-20
• 1.3.1 本文研究内容17-18
• 1.3.2 论文结构18-20
• 第二章 锁相环环路分析与设计20-35
• 2.1 锁相环系统环路模型20-25
• 2.1.1 鉴频鉴相器与电荷泵模块模型20-21
• 2.1.2 环路滤波器模型21-22
• 2.1.3 压控振荡器模型22
• 2.1.4 分频器模型22-23
• 2.1.5 锁相环环路理论23-25
• 2.2 锁相环环路设计与验证25-27
• 2.3 锁相环相位噪声27-31
• 2.3.1 锁相环环路噪声模型28-30
• 2.3.2 各模块噪声影响30-31
• 2.3.2.1 参考信号源噪声30
• 2.3.2.2 鉴频鉴相器和电荷泵噪声30
• 2.3.2.3 环路滤波器噪声30
• 2.3.2.4 分频器噪声30-31
• 2.3.2.5 压控振荡器噪声31
• 2.4 锁相环抖动分析31-34
• 2.4.1 锁相环系统中的抖动31-33
• 2.4.2 抖动分类33-34
• 2.4.3 锁相环品质因数34
• 2.5 本章小结34-35
• 第三章 高速模块设计35-73
• 3.1 高频互连线35-42
• 3.1.1 传输线理论35-37
• 3.1.2 阻抗圆图37-38
• 3.1.3 微带线及其模型38-40
• 3.1.4 本文互连线设计40-42
• 3.2 压控振荡器42-65
• 3.2.1 压控振荡器分类42-43
• 3.2.2 压控振荡器指标分析43-46
• 3.2.3 压控振荡器系统分析46-48
• 3.2.4 压控振荡器振荡原理48-49
• 3.2.5 本文压控振荡器设计49-65
• 3.2.5.1 振荡器结构设计分析49-53
• 3.2.5.2 谐振腔设计分析53-59
• 3.2.5.3 交叉耦合对管设计分析59-61
• 3.2.5.4 尾管设计分析61-62
• 3.2.5.5 振荡器仿真分析62-65
• 3.3 预分频器65-69
• 3.3.1 分频原理65
• 3.3.2 锁定范围65-66
• 3.3.3 ILFD分类66-67
• 3.3.4 ILFD设计与仿真67-69
• 3.4 高频模块协同仿真69-71
• 3.5 本章小结71-73
• 第四章 中低速模块设计73-96
• 4.1 分频器链73-81
• 4.1.1 密勒分频器73-76
• 4.1.1.1 工作原理及其模型73-74
• 4.1.1.2 密勒分频器类型74-75
• 4.1.1.3 密勒分频器设计仿真75-76
• 4.1.2 Class-AB静态分频器76-78
• 4.1.3 标准静态分频器78-80
• 4.1.4 TSPC低速分频器80-81
• 4.2 鉴频鉴相器81-86
• 4.2.1 PFD分类81-82
• 4.2.2 PFD工作原理82-83
• 4.2.3 PFD鉴相死区83-84
• 4.2.4 PFD设计与仿真84-86
• 4.3 电荷泵86-92
• 4.3.1 电荷泵工作原理86-87
• 4.3.2 电荷泵非理想效应87-89
• 4.3.3 电路结构89-90
• 4.3.4 电荷泵设计与仿真90-92
• 4.4 环路滤波器92-93
• 4.5 锁相环环路仿真93-95
• 4.6 本章小结95-96
• 第五章 版图设计与后仿验证96-103
• 5.1 版图设计方法96-97
• 5.1.1 匹配与寄生96-97
• 5.1.2 版图噪声97
• 5.2 锁相环版图设计97-99
• 5.3 锁相环后仿结果99-102
• 5.3.1 环路指标验证99-100
• 5.3.2 输出指标验证100-102
• 5.4 本章小结102-103
• 第六章 总结与展望103-105
• 6.1 结论103-104
• 6.2 存在的不足与展望104-105
• 致谢105-106
• 参考文献106-112
• 攻硕期间取得的研究成果112-113

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