CMOS锁相环中关键技术的研究

发布时间：2018-02-23 21:24

本文关键词：互补金属氧化物半导体锁相环电源敏感度补偿技术电流模逻辑环形压控振荡器自校准系统电流模逻辑D触发器型分频器分析模型电感峰化频率调节自动频率校准　出处：《北京理工大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随着集成电路技术和通信技术的迅猛发展,基于低成本CMOS工艺下的锁相环(Phase-Locked Loop:PLL)技术得到了广泛的应用。各种不同的应用背景对PLL的性能有着不同的要求,如何在特定的应用条件下对PLL中的关键模块进行优化,是PLL设计中的热点和难点。在数字-模拟混合信号系统中,来自数字部分的电源-地噪声会对PLL中的压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator:VCO)产生频率调制作用,影响PLL输出信号的纯净度；在工作频率超过10 GHz的射频PLL频率综合器中,高速分频器的设计极为关键,需要兼具低功耗、高频率、宽锁定范围和高稳定性等特性。本文针对以上两个问题分别进行了研究。在PLL受电源-地噪声影响的问题上,根据已有的研究基础,可以确定VCO的高电源敏感度是系统受到影响的主要原因。采用电源敏感度补偿技术来降低VCO的电源敏感度是一个热门的研究方向。本文对电流模逻辑(Current Mode Logic: CML)环形VCO的电源敏感度进行了推导和仿真,明确了电源敏感度产生的根源。以此为基础,对交叉耦合-电容补偿电路和MOS管可变电容补偿电路的补偿机理和变化规律进行了推导和仿真。针对敏感度补偿技术性能不稳定的缺点,设计了敏感度自校准系统,并通过大信号敏感度分析确定了自校准系统的精度需求。在高速分频器设计问题的研究中,主要针对工作性能稳定但分析理论不成熟的CML-D触发器(DFlip-Flop:DFF)分频器进行了研究。该电路在基于振荡判据的分频器基本分析方法中遇到了一些困难,引入电流矢量分析方法建立了一套直观的图形化分析模型,并针对电感峰化技术的使用进一步发展了该模型。通过详细的仿真和流片测试对该模型的准确性进行了验证。基于该模型所展示的规律,设计了采用新型频率调节方法的可调频CML-DFF分频器电路,并对相应的自动频率校准技术进行了研究。研究中的主要创新点有：1)新颖的VCO电源敏感度补偿技术。传统的电源敏感度补偿电路结构复杂,通用性不足。本文基于MOS晶体管栅电容低容值,高变化率的特点,将其用作可变电容,设计了补偿效率高,通用性更强的新型补偿电路。2)新颖的CML-DFF分频器分析模型。现有的时域动态分析和振荡判据分析方法都不够直观,不利于该电路的优化设计。本文结合了振荡判据和电流矢量分析两种方法,建立了高效直观的图形化分析模型,并针对更为复杂的电感峰化负载结构,进一步发展了该模型。3)新颖的CML-DFF分频器工作频率调节技术。在类振荡器电路中,传统的调频方法都以负载阻抗作为调节因子,信号通路中会因此而引入额外的寄生参数。本文依据分析模型的预测,通过调节CML-DFF分频器中的跨导比例来对它的工作频率进行调节。该方法减少了寄生参数的引入,拓展了工作频率范围。基于以上研究内容和创新点,在中芯国际180 nm CMOS工艺下设计了一款低电源敏感度PLL芯片,测试结果显示本文所研究的两种电源敏感度补偿技术将VCO的电源敏感度降低了97%以上,自校准之后PLL对电源干扰的响应也降低了74%以上。在台积电90 nm CMOS工艺下设计了两款可调频CML-DFF分频器电路,其锁定范围分别达到了0.8 GHz至30 GHz和3 GHz至465 GHz,而功耗分别只有353mW和93 mW。基于这两款分频器进一步设计了带有自动频率校准功能的64分频可调频分频器链路。
[Abstract]:With the rapid development of integrated circuit technology and communication technology , the phase - Locked Loop ( PLL ) technology based on low - cost CMOS technology has been widely used . Based on the prediction of the analytical model , a low power - sensitivity PLL chip is designed by adjusting the transconductance ratio in a CML - dff frequency divider . The results show that the two power - sensitivity compensation techniques used in this paper reduce the power supply sensitivity of the VCO by more than 97 % . The results show that the two power - sensitivity compensation techniques have been designed with the frequency range of 0.8 GHz to 30 GHz and 3 GHz to 465 GHz , respectively , and the power consumption is only 353mW and 93 mW respectively .

【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN911.8

【参考文献】