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锁相环的研究与设计

作　者: 但慧明
导　师: 张树丹
学　校: 江南大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 锁相环 鉴频鉴相器 电荷泵 可编程分频器 版图
分类号: TN911.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


随着集成电路的不断发展,物联网技术的兴起,高性能、低成本的SOC已成为集成电路设计的重点。锁相环作为SOC主要的时钟产生器,它的设计已变得非常关键。本文致力于为某款DSP芯片提供时钟产生器,用于DSP芯片时钟系统,为DSP芯片提供稳定和精准的时钟信号。本文首先介绍了锁相环的结构和理论,重点分析了电荷泵锁相环的组成原理,并详细分析了电荷泵锁相环中各个模块的功能、数学模型和传输函数,这些模块包括鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器和分频器。在这些基础上,从系统角度对锁相环路建模,建立传输函数,观察零极点分布,分析频率响应以及噪声的影响。根据电荷泵锁相环的理论,对电荷泵锁相环建立了Verilog-A模型,在行为级上实现了电荷泵锁相环的功能。在锁相环电路的具体实现中,本文重点讨论了传统结构锁相环功能模块的不足之处,并提出了相应的改进方案,主要有三个创新点,一是提出了带开关加速功能且充放电电流可调的电荷泵,二是提出了带RS触发器的差分延迟单元,三是将单一分频系数分频器转换为可编程分频器。传统鉴频鉴相器存在死区,本文设计的动态鉴频鉴相器消除了死区,减少了盲区范围,且在工作速度、面积和功耗方面都比传统鉴频鉴相器优越。传统电荷泵由于非理想因素的作用,性能降低,本文提出的带开关加速功能且充放电电流可调的电荷泵,不仅充放电电流更加匹配,且很好地抑制了电荷注入、时钟馈通、电荷共享效应,更适应了不同分频系数对电荷泵充放电电流的要求,补偿了工艺制造过程中不理想因素对电路造成的影响,有助于提高锁相环的稳定性和产品成品率。传统压控振荡器延迟单元的差动摆幅有限,本文提出了带RS触发器的差分延迟单元,在灵敏度、翻转速度、静态功耗及抗噪声性能方面有了提高。传统锁相环中采用的是固定分频系数的分频器,本文提出了可编程分频器,分频系数可编程,为2~16中的任意值,使锁相环可为DSP芯片提供不同的时钟频率。在版图设计中,采用SMIC 0.18μm CMOS Mix-Mode 1P4M工艺,1.8V电源供电,整体版图面积为168μm×160μm。在Cadence环境中,用spectre软件仿真,结果表明,电荷泵锁相环可实现10MHz~160MHz的捕获范围,在压控振荡器的输出频率为160MHz时,环路的锁定时间为4μs,功耗为1.368mW,抖动为70ps,可以完全满足DSP、CPU以及SOC对片内高性能时钟信号的要求。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-8
第一章 绪论  8-11
  1.1 课题研究背景与意义  8
  1.2 锁相环的国内外发展与应用  8-9
    1.2.1 国内外研究现状  8-9
    1.2.2 国内外应用现状  9
  1.3 DSP 时钟产生器简介  9
  1.4 本文主要工作及结构  9-11
第二章 锁相环的基本原理与结构  11-33
  2.1 锁相环的工作原理  11-12
  2.2 电荷泵锁相环的组成和结构  12-20
    2.2.1 鉴频鉴相器  12-14
    2.2.2 电荷泵  14-16
    2.2.3 环路滤波器  16-17
    2.2.4 压控振荡器  17-19
    2.2.5 分频器  19-20
  2.3 锁相环的系统分析  20-29
    2.3.1 电荷泵锁相环各个模块的数学模型与传输函数  20-24
    2.3.2 电荷泵锁相环系统的传输函数  24-27
    2.3.3 电荷泵锁相环环路的噪声分析  27-29
  2.4 锁相环的主要性能和参数分析  29-32
    2.4.1 锁相环的跟踪性能  29
    2.4.2 锁相环的稳定性及环路滤波器参数分析  29-31
    2.4.3 锁相环捕获过程的主要参数  31-32
  2.5 本章小结  32-33
第三章 锁相环Verilog-A 的建模与仿真  33-41
  3.1 锁相环的Verilog-A 建模  33-40
    3.1.1 Verilog-A 简介  33
    3.1.2 系统参数的确定  33-34
    3.1.3 用Verilog-A 对锁相环整体建模  34
    3.1.4 锁相环各个模块Verilog-A 代码  34-40
  3.2 锁相环Verilog-A 模型功能仿真  40
  3.3 本章小结  40-41
第四章 电荷泵锁相环电路设计  41-69
  4.1 电荷泵锁相环的整体设计  41-42
  4.2 鉴频鉴相器的设计  42-45
  4.3 电荷泵的设计  45-55
    4.3.1 电荷泵基准电流源电路的设计  46-47
    4.3.2 电荷泵充放电电流可调部分的电路设计  47-49
    4.3.3 电荷泵开关控制部分的电路设计  49-52
    4.3.4 电荷泵电路仿真结果及分析  52-55
  4.4 环路滤波器电路的设计  55-56
  4.5 压控振荡器的设计  56-60
    4.5.1 压控振荡器的电路设计  56-59
    4.5.2 压控振荡器电路的仿真  59-60
  4.6 可编程分频器的设计  60-65
    4.6.1 可编程分频器的设计  60-63
    4.6.2 可编程分频器的仿真  63-65
  4.7 锁相环的整体仿真  65-67
  4.8 本章小结  67-69
第五章 电荷泵锁相环的版图设计  69-77
  5.1 版图设计的总体考虑  69-71
    5.1.1 电阻与电容的实现  69-70
    5.1.2 噪声问题  70
    5.1.3 匹配  70
    5.1.4 避免电迁移  70-71
    5.1.5 避免天线效应  71
  5.2 锁相环的版图实现  71-76
    5.2.1 电荷泵锁相环整体电路版图  72-73
    5.2.2 鉴频鉴相器版图实现  73-74
    5.2.3 电流可调电荷泵的版图实现  74-75
    5.2.4 环路滤波器的版图实现  75
    5.2.5 压控振荡器的版图实现  75-76
    5.2.6 可编程分频器的版图实现  76
  5.3 版图验证及测试结果  76
  5.4 本章小结  76-77
第六章 总结与展望  77-79
  6.1 本文总结  77-78
  6.2 展望  78-79
致谢  79-80
参考文献  80-84
附录A：作者在攻读硕士学位期间发表的论文  84

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 通信 > 通信理论 > 相位锁定、锁相技术
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