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高性能可编程电荷泵锁相环的设计与研究

作　者: 任颖
导　师: 张岩
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 电荷泵锁相环环路参数等效噪声模型相位噪声差分压控振荡器
分类号: TH38
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着现代电子、通信等技术的发展,人们对锁相环的性能提出了越来越高的要求。为提高国内的IC设计水平,以及从国防到商用领域考虑,开发出属于自己的高性能锁相环产品是非常必要的。本文针对应用于高性能DSP中的频率合成器的设计,在研究了锁相环理论和整体结构的基础上,进行了环路参数设计、噪声性能估算以及电路设计仿真。采用1.2V电源的Charter 0.13 ? m混合信号CMOS工艺,设计实现了一款高性能可编程电荷泵锁相环。主要的研究内容包括:首先,根据环路参数设计原理,推导了环路滤波器的设计参数,提出了针对稳定性优化的环路参数设计方法。其次,分析并建立电荷泵锁相环等效噪声模型,根据每个模块产生噪声的影响大小,估算整个电荷泵锁相环的噪声性能,并用MATLAB软件进行仿真验证。再次,完成整个电荷泵锁相环的电路设计和版图设计。其中,分析了鉴频鉴相器死区产生的原因,并对相应电路做改进,采用延时的方法,加快了鉴频鉴相器的速度,减小了死区,同时降低功耗;设计了一种具有电压跟随器的电荷泵,以消除过冲和电荷共享等问题,从而提高了整个系统的稳定性;压控振荡器采用差分放大器作为延时单元,能够抑制噪声、提高增益;采用二阶无源低通滤波器,它结构简单,占用芯片面积小,使电路在噪声与功耗方面都有所改进。最后,经整体性能仿真验证,得到锁相环各项性能为:锁定时间小于5μs,压控振荡器偏离中心频1KHz时抖动小于10ps。与系统行为级仿真结果比较表明:电路仿真结果与行为仿真结果一致,行为模型能够指导电路设计,使得电路设计达到了设计目标,满足设计要求。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-15
  1.1 锁相环概述  10-12
    1.1.1 锁相环分类  10-11
    1.1.2 锁相环的主要特点与实际应用  11-12
  1.2 国内外在该方向上的发展现状  12-13
  1.3 此次研究的目的和意义  13
  1.4 本文的主要工作和章节安排  13-15
第2章电荷泵锁相环的整体结构  15-24
  2.1 锁相环系统的基本结构和工作原理  15
  2.2 电荷泵锁相环的原理及组成  15-23
    2.2.1 鉴频鉴相器(PFD)  16-18
    2.2.2 电荷泵(CP)  18-19
    2.2.3 环路滤波器(LF)  19-20
    2.2.4 压控振荡器(VCO)  20-22
    2.2.5 分频器  22-23
  2.3 本章小结  23-24
第3章电荷泵锁相环的参数设计  24-33
  3.1 评价电荷泵锁相环的技术指标  24-27
    3.1.1 相位噪声(Phase Noise)  24-26
    3.1.2 时序抖动(Jitter)  26-27
  3.2 电荷泵锁相环的线性模型  27-28
  3.3 环路参数设计  28-32
    3.3.1 环路滤波器参数设计  28-31
    3.3.2 环路参数选取  31-32
  3.4 本章小结  32-33
第4章噪声估计  33-43
  4.1 电荷泵锁相环噪声分析及传输函数  33-35
  4.2 环路噪声的优化方法  35
  4.3 等效噪声模型  35-41
    4.3.1 电荷泵(CP)电流噪声模型  36-37
    4.3.2 环路滤波器(LF)的噪声模型  37-38
    4.3.3 分频器(Divider)的噪声模型  38
    4.3.4 鉴频鉴相器(PFD)的相位噪声模型  38-39
    4.3.5 压控振荡器(VCO)的噪声模型  39-41
  4.4 噪声估计结果  41-42
  4.5 本章小结  42-43
第5章电荷泵锁相环的具体电路设计及仿真  43-72
  5.1 电荷泵锁相环的Simulink模型与仿真  43-44
  5.2 鉴频鉴相器(PFD)的设计与仿真  44-48
    5.2.1 PFD的设计指标  44-46
    5.2.2 鉴频鉴相器的设计  46-47
    5.2.3 鉴频鉴相器的仿真  47-48
  5.3 电荷泵(CP)的设计与仿真  48-53
    5.3.1 电荷泵的设计参数  48-49
    5.3.2 电荷泵设计中的几点问题  49-51
    5.3.3 电荷泵的设计  51-52
    5.3.4 电荷泵的仿真  52-53
  5.4 压控振荡器(VCO)的设计与仿真  53-62
    5.4.1 压控振荡器的设计参数  54-55
    5.4.2 压控振荡器的设计  55-60
    5.4.3 压控振荡器的仿真  60-62
  5.5 基准源的设计与仿真  62-65
    5.5.1 基准源的设计  62-64
    5.5.2 基准源的仿真  64-65
  5.6 分频器的设计与仿真  65-66
    5.6.1 分频器的设计  65
    5.6.2 分频器的仿真  65-66
  5.7 电荷泵锁相环的整体仿真  66-67
  5.8 版图设计  67-70
    5.8.1 版图设计的流程  67-68
    5.8.2 版图设计时考虑的因素  68-69
    5.8.3 版图布局  69-70
    5.8.4 整体版图  70
  5.9 本章小结  70-72
结论  72-73
参考文献  73-79
致谢  79

高性能可编程电荷泵锁相环的设计与研究

内容摘要

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