CMOS集成电荷泵锁相环的理论研究与电路设计

论文摘要

随着集成电路技术的高速发展,锁相环电路得到了越来越多的关注,目前在超大规模集成电路及片上系统中扮演着不可或缺的角色。其中,电荷泵锁相环因其具有低功耗、锁定相差小、低抖动和捕获范围大等优点而成为当前锁相环设计的主流。文章从锁相环的理论研究入手,建立了环路的线性和非线性模型,对锁相环的动态特性、跟踪特性、捕获时间、稳定性等各项参数指标进行了详细的研究与分析。对于电荷泵锁相环,采取了自顶向下的设计方法,从系统级开始研究其模型和指标,逐步过渡到晶体管级的模块的设计与仿真。最终设计了一款电荷泵锁相环,电源电压为3V时工作频率范围为25-58MHz,电源电压为5V时工作频率范围为43-100MHz,振荡器的相位噪声为-98.5dBc/Hz@1MHz。电路结构在进行了充分的比较分析之后选择了高速的预充电式鉴频鉴相器,可消除电荷共享和时钟馈通的电荷泵,具有消除电压纹波效果的低通滤波器,特别是采用了五级差分环形振荡器,大大抑制了电源和衬底噪声的干扰,从而得到了增益线性度高的输出波形。最后,针对数模混合集成电路设计的复杂性,综合数模混合版图设计所需遵循的一般性原则和本电路各模块的特殊要求,进行了版图设计。本文电路采用Cadence Spectre工具,在CSMC CMOS 0.5μm1P2M的模型库下进行了仿真,并使用Cadence Virtuoso工具完成了版图设计。仿真结果表明,该电荷泵锁相环各个模块以及整体环路的设计均达到了设计指标要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 历史与现状
• 1.3 论文内容与结构
• 第二章 锁相环系统的理论分析
• 2.1 锁相环基本结构
• 2.1.1 鉴相器模型
• 2.1.2 环路滤波器模型
• 2.1.3 压控振荡器模型
• 2.2 锁相环的线性模型
• 2.2.1 锁定时的模型及其线性化
• 2.2.2 系统瞬态响应
• 2.2.3 系统稳态响应
• 2.3 锁相环的非线性模型
• 2.3.1 非线性指标
• 2.3.2 模拟锁相环的非线性分析
• 2.3.3 混合锁相环的非线性分析
• 第三章 电荷泵锁相环的分析
• 3.1 电荷泵锁相环的基本原理
• 3.2 电荷泵锁相环的稳定性
• 第四章 电荷泵锁相环的电路设计与仿真
• 4.1 PFD 电路设计与仿真
• 4.1.1 PFD 的性能指标
• 4.1.2 普通型边沿触发式PFD
• 4.1.3 动态结构的D 触发器式PFD
• 4.1.4 预充电式PFD
• 4.1.5 PFD 仿真
• 4.2 CP 电路设计与仿真
• 4.2.1 CP 的非理想效应
• 4.2.2 单端电荷泵电路
• 4.2.3 改进的电荷泵电路
• 4.2.4 电荷泵充放电的仿真
• 4.3 VCO 电路设计与仿真
• 4.3.1 电流饥饿反相器结构的VCO
• 4.3.2 差分对结构的VCO
• 4.3.3 VCO 的仿真
• 4.4 环路参数计算与仿真
• 第五章 电荷泵锁相环的版图设计
• 5.1 版图设计总体准则
• 5.1.1 寄生参数考虑
• 5.1.2 噪声考虑
• 5.1.3 工艺考虑
• 5.1.4 速度考虑
• 5.2 各部分版图设计
• 5.2.1 PFD 版图设计
• 5.2.2 电荷泵的版图设计
• 5.2.3 VCO 的版图设计
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录1 高增益二阶锁相环的系统函数的MATLAB 仿真程序
• 附录2 高增益二阶锁相环的误差函数的MATLAB 仿真程序
• 附录3 二阶电荷泵锁相环的波特图与根轨迹的 MATLAB 仿真程序
• 附录4 三阶电荷泵锁相环波特图的 MATLAB 仿真程序
• 附录5 图表