GPS系统中锁相环的研究与关键模块的设计

论文摘要

全球卫星定位系统（Global Positioning System,GPS）接收机在民用和军用领域都有着广泛的应用,而锁相环（Phase-Locked Loop,PLL）是GPS接收机中最为关键的一个模块之一,它为GPS接收机的混频提供精确的本地振荡器信号。锁相环是模拟集成电路设计领域最有挑战的一个模块之一。频率合成器是无线接收机中的重要模块,而鉴频鉴相器（Phase-Frequency Detector, PFD）,电荷泵（Charge-Pump, CP）和压控振荡器（Voltage-Controlled Oscillator, VCO）作为频率合成器的核心电路,其性能直接影响到整个系统的性能,是接收机的设计难点。由于大规模数字集成电路的制造通常采用CMOS工艺,因此CMOS锁相环是GPS接收机芯片的研究重点。本文将主要研究GPS系统应用的PLL模块并设计与实现一个低功耗和高性能的PLL系统中的鉴频鉴相器、电荷泵以及压控振荡器。本文的主要工作如下:首先介绍一些锁相环的一些背景;然后比较GPS接收机的几种结构,并说明选择低中频结构作为本文接收机结构的理由;最后详细介绍PLL系统中鉴频鉴相器,电荷泵在SMIC 0.18um RFCMOS工艺下的设计过程,包括指标的确定,结构的选择,具体电路的实现,仿真结果和版图实现以及压控振荡器的一些基本理论和常用的降噪技术。仿真结果表明PFD的死区减小为0;CP充放电电流最大失配率小于0.1%,电流绝对值偏移率小于0.6%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 论文研究的内容和组织结构
• 2 GPS 无线射频系统前端设计
• 2.1 无线接收机射频前端系统结构
• 2.1.1 超外差结构
• 2.1.2 零中频结构
• 2.1.3 低中频结构
• 2.1.4 带通采样结构
• 2.1.5 小结
• 2.2 本文GPS 接收器结构选择以及PLL 的设计指标
• 3 锁相环的行为级特性
• 3.1 锁相环的工作原理
• 3.2 电荷泵锁相环的基本模块
• 3.2.1 频率相位检测器与无源低通滤波器
• 3.2.2 压控振荡器
• 3.2.3 分频器
• 3.3 噪声电荷泵锁相环锁定状态的性质
• 3.4 锁相环锁的工作频率
• 3.5 锁相环锁相位噪声的分析
• 4 鉴频鉴相器的设计
• 4.1 鉴频鉴相器的非理想效应
• 4.2 鉴频鉴相器的电路设计
• 4.3 鉴频鉴相器的仿真
• 4.4 鉴频鉴相器的版图以及后仿真
• 5 电荷泵的设计
• 5.1 电荷泵的非理想效应
• 5.2 传统电荷泵的电路结构
• 5.3 本文电荷泵的电路设计
• 5.4 电荷泵的仿真
• 5.5 电荷泵的版图以及后仿真
• 6 压控振荡器的设计
• 6.1 压控振荡器的基本工作原理
• 6.2 压控振荡器的相位噪声
• 6.3 相位噪声降低技术
• 6.3.1 大电容滤波技术
• 6.3.2 二次谐波谐振滤波技术
• 7 锁相环的系统仿真
• 8 总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间已发表或录用的学术论文