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基于自偏置技术的锁相环设计与研究

作　者: 曹羽欧
导　师: 李章全; 王国兴; 翟大伦
学　校: 上海交通大学
专　业: 电路与系统
关键词: 锁相环 压控振荡器 自偏置技术 低噪声
分类号: TN911.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


由于越来越低的供电电压与深亚微米效应的影响，对于锁相环的性能提出了更高的要求。对于经典结构的锁相环，分频系数对环路带宽和环路稳定性影响很大，而工艺的偏差以及温度变化也会影响环路的工作状态，这样，想得到一个宽频率范围,低噪声的时钟信号变得非常困难。自偏置锁相环便是一个比较有代表性的解决方案。本文着重研究了自偏置锁相环的环路参数设计，环路稳定性分析，以及如何实现其性能优化，并采用中芯国际55nm低漏电数字逻辑工艺进行硅验证。在环路参数设计方面，本文分析了环路参数由于工艺，电压和温度等条件的变化对整个环路稳定性的影响，并在此基础上，提出了基于稳定性优化的环路参数设计方法。在具体的电路实现上，详细论述了各个模块的实现方法。研究了自偏置环路的实现方式存在的问题并提出了相应的改进方案，并研究分析了差分电压控制振荡器的电路结构。通过理论分析，仿真，硅验证以及最终得到的测试结果，验证了本文提出的设计方案。本文的内容包含以下几部分：1.首先分析了经典结构锁相环的电路模块功能，包括鉴频鉴相器（PFD），电荷泵（CP），压控振荡器（VCO）和低通滤波器（LPF）,然后对各模块功能进行了分析。包括各个模块的功能，各种非理想因素的环路噪声的贡献以及噪声传输函数的计算与分析，最终得到其噪声传输特性。2.对锁相环整个环路进行分析，锁相环设计两个重要的参数：环路带宽ωn和阻尼系数ζ，分析这两个参数对环路性能的影响，以及如何利用各种电流，电压转换来消除制程，温度和电源电压的影响，这也是自偏置锁相环的设计基础。3.深入分析自偏置锁相环的工作原理，设计思想与实现方法。对于环路设计，利用电路技术来实现锁相环的ωn/ωref和ζ与工艺，电源电压和温度无关；对压控振荡器设计，采用了对称负载型延迟单元，这种结构可以实现线性的V-I特性，可以保证压控振荡器输出频率增益的一致性。4.本文中提出的芯片设计由中芯国际55nm低漏电数字逻辑工艺制造，芯片采用1.2V单电压供电，频率输出范围是0.5GHz～1.5GHz，工作电流为4.2mA，芯片面积为260um*280um。经测试，均方抖动为3.8ps,峰-峰值抖动25ps。

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-15
第一章 绪论  15-21
  1.1 模拟锁相环的发展现状  15-16
  1.2 锁相环的工作原理及应用  16-18
    1.2.1 锁相环的工作原理  16
    1.2.2 锁相环的应用  16-18
  1.3 锁相环的研究背景及分类  18-21
第二章 锁相环的基本结构  21-32
  2.1 电荷泵锁相环的环路结构  21-22
  2.2 鉴频鉴相器  22-24
  2.3 电荷泵  24-26
  2.4 环路滤波器  26-27
  2.5 压控振荡器  27-31
    2.5.1 振荡器的起振条件  28-29
    2.5.2 压控振荡器的种类  29-30
    2.5.3 压控振荡器的传输函数  30-31
  2.6 本章小结  31-32
第三章 锁相环的环路参数和噪声分析  32-43
  3.1 锁相环的环路参数分析  32-36
    3.1.1 锁相环的传输方程  32-35
    3.1.2 环路参数设计流程  35-36
  3.2 衡量环路特性的两个重要参数  36-37
    3.2.1 阻尼系数  36-37
    3.2.2 环路带宽  37
  3.3 锁相环的噪声分析  37-43
    3.3.1 噪声模型及噪声传输函数分析  38-41
    3.3.2 环路噪声优化  41-43
第四章 自偏置锁相环的设计原理及仿真  43-58
  4.1 自偏置锁相环的理论分析  44-49
  4.2 自偏置锁相环的环路设计  49-53
    4.2.1 带宽与输入频率之比的确定  51-52
    4.2.2 阻尼系数的确定  52-53
  4.3 自偏置锁相环的具体电路实现  53-56
    4.3.1 电荷泵电路  53-54
    4.3.2 VCO 电路的实现  54-56
    4.3.3 ID/N的电流实现  56
  4.4 电路的整体仿真结果  56-57
  4.5 本章小结  57-58
第五章 自偏置锁相环的版图设计及芯片测试  58-65
  5.1 版图设计  58-60
  5.2 芯片测试及结果分析  60-62
    5.2.1 测试设备  60-61
    5.2.2 测试示意图  61-62
  5.3 测试结果  62-65
    5.3.1 时域抖动测试  62-63
    5.3.2 相位噪声测试  63-65
参考文献  65-70
附录  70-73
致谢  73-74
攻读学位期间发表的学术论文  74

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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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