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微机械陀螺中锁相环电路设计

作　者: 李钦昕
导　师: 刘晓为
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 微机械陀螺电荷泵锁相环压控振荡器相位噪声
分类号: TN702
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

锁相环(PLL, Phase-Locked Loop)是模拟及数模混合电路中的基本电路,并且是非常重要的一个模块,是一个能够跟踪输入信号相位和频率,并输出锁定相位、低抖动的频率信号的系统。在系统应用中,它往往是提供完整解决方法的一个强有力的技术手段。基于华润上华(CSMC)0.5μm工艺,设计了一个应用在微机械陀螺中的高性能电荷泵锁相环(CPPLL, Charge-Pump Phase-Locked Loop)电路,研究了其相位噪声特性和环路特性,并对该锁相环进行了详细的模拟仿真。最后,完成版图绘制和后仿真工作。该锁相环主要应用在为微机械陀螺提供稳定高频载波驱动信号,其设计的输出的时钟频率为250KHz,时钟信号占空比为50%。电路采用标准的CMOS电荷泵锁相环结构,包括鉴频鉴相器(PFD)、电荷泵(CP)、低通滤波器(LPF)、压控振荡器(VCO)和分频器(Divider)五个模块。论文首先介绍国内外锁相环的发展状况,之后从锁相环的各模块入手,详细地分析各个模块的工作原理以及优缺点,并给出优化方案,最终完成版图绘制和验证工作。在整个设计中采用了克服死区的鉴频鉴相器结构;采用了消除电荷注入和电荷共享的自举电荷泵结构;采用了噪声特性较好,输出频带较宽,时钟信号占空比精准的CSA压控振荡器;采用了高速的TSPC分频器结构。仿真结果可以看到,输出频率抖动为:ΔF P -P=7.4844Hz,周期抖动为: ps,相对抖动为:0.0299‰。与以往的RC环形振荡器为参考信号时相比,性能大幅提高。这对于提高微机械陀螺的测量精度和电路整体性能有着至关重要的意义。ΔT P-P=119.75

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章绪论  8-15
  1.1 课题背景  8-9
  1.2 锁相环的发展  9-10
  1.3 国内外研究状况  10-12
  1.4 应用概述  12-13
  1.5 研究目的和意义  13
  1.6 课题研究内容  13-15
第2章锁相环电路基本原理和理论  15-29
  2.1 锁相环电路结构和基本原理  15-19
    2.1.1 鉴相器(PD)  15-16
    2.1.2 环路低通滤波器(LPF)  16-18
    2.1.3 压控振荡器(VCO)  18-19
  2.2 电荷泵PLL的数学模型  19-24
  2.3 锁相环相位噪声分析  24-28
    2.3.1 相位噪声的概念  25-26
    2.3.2 锁相环主要部件相位噪声分析  26-28
  2.4 本章小结  28-29
第3章电荷泵锁相环电路设计  29-48
  3.1 鉴频鉴相器  29-34
  3.2 电荷泵和低通滤波器  34-38
    3.2.1 电荷泵  34-36
    3.2.2 环路滤波器  36-37
    3.2.3 本设计中采用的电荷泵和低通滤波器电路  37-38
  3.3 压控振荡器  38-42
  3.4 分频器设计  42-43
  3.5 偏置电流源  43-45
  3.6 PLL系统仿真  45-47
  3.7 本章小结  47-48
第4章版图设计及后仿真  48-57
  4.1 锁相版图设计的考虑  48-51
    4.1.1 噪声抑制  48-49
    4.1.2 寄生电容  49
    4.1.3 闩锁问题  49
    4.1.4 匹配问题  49-50
    4.1.5 MOS电容设计  50
    4.1.6 PAD点抗静电设计  50-51
  4.2 电荷泵锁相环版图实现  51-52
    4.2.1 VCO版图  51
    4.2.2 PFD版图  51-52
    4.2.3 CP版图  52
    4.2.4 分频器版图  52
    4.2.5 滤波器版图  52
  4.3 电荷泵锁相环整体版图布局  52-55
    4.3.1 整体布局  53-54
    4.3.2 模拟部分布局  54-55
    4.3.3 数字部分布局  55
  4.4 后仿真  55-56
  4.5 本章小结  56-57
结论  57-59
参考文献  59-63
攻读学位期间发表的学术论文  63-65
致谢  65

微机械陀螺中锁相环电路设计

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