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电荷泵锁相环的模型研究和电路设计

作　者: 严杰锋
导　师: 汤庭鳌
学　校: 复旦大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 电荷泵锁相环自偏置带宽自适应电流模滤波器时钟发生器频率合成压控振荡器石英晶体振荡器 z域模型建模
分类号: TN492
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

本文研究了电荷泵锁相环电路的模型和电路设计。在模型研究方面，我们讨论了电荷泵锁相环经典的线性模型，离散z域模型，分析了它们对设计的意义，指出了它们可取和不足之处，并由此提出了一个新型的z域模型，给出了详细推导过程，并在频域上予以清晰的物理解释，仿真对比验证了该模型的正确性，同时指出了我们的模型能对实际电路设计提供指导和启发意义。在后续的章节中，我们运用随机理论，将振荡器在热噪声下的相位抖动建模为维纳过程，进而分析了振荡器最一般情况下的相位噪声和时间抖动之间的关系。在此基础上，结合新型z域模型求解了CP-PLL环路中的噪声抖动问题：利用复变函数中的留数定理，解析地给出不同噪声源(VCO，输入信号)情况下，PLL的抖动大小，得到了最优噪声带宽，为电路的环路参数设计提供了理论指导。在电路设计方面，为减小CP-PLL片上积分电容，我们提出了一个新型的电流模滤波器电路，该滤波器不仅大大缩减的芯片面积，并且其电路实现方式简单，与文献中报道的设计不同，它不需要有源运算放大器，悬浮电容(floating capacitor)，同时具有自偏置，低电压等优势。提出了一个改进型低噪声压控振荡器电路，该VCO利用了Negative-skew结构功耗-延时积(Power×Delay)小的特点，仿真的结果表明，该结构的噪声性能可以与文献报道的设计相比拟。将上述新型电流模滤波器和Negative-skew型的VCO相结合，利用滤波器的自偏置特征，我们构建了一个带宽自适应的CP-PLL，该环路具有很强的带宽稳定性。通过电路仿真，我们看到在反馈分频比从10变化到100的过程中，该CP-PLL环路带宽变化仅为30％，而对经典的CP-PLL，这个变化将达到90％。为了进一步提高CP-PLL电路集成度，并为其提供一个高性能的参考时钟信号，我们专门设计了石英晶体振荡器电路。分析了晶振电路中偏置电流和振荡幅度的解析关系，提出了一些简单实用的电路技术和电路仿真技术。最后，我们在芯片上成功实现了以上三个电路，测试结果表明，VCO的工作频率和功耗跟电路仿真符合得很好，并具有很好抖动性能；电荷泵锁相环电路测试结果也基本上达到了目的，其功耗和抖动性能同相关文献相比较来看也具有一定的竞争力。参考时钟电路的测试结果表明，对比于市场上常见的产品，我们的设计具有功耗低，工作频率范围宽和抖动性能好的特点，完全可以为CP-PLL提供一个高性能的参考时钟信号。

全文目录

致谢  9-10
摘要  10-11
ABSTRACT  11-14
第一章引言  14-25
  1.1 研究背景和现状  14-17
  1.2 研究目的  17-18
  1.3 本文的内容和贡献  18-19
  1.4 本文的组织结构  19-21
  参考文献  21-25
第二章电荷泵型锁相环的Z域建模  25-49
  2.1 电荷泵型锁相环的线性模型  25-34
    2.1.1 鉴频鉴相器和电荷泵电路的线性模型  26-27
    2.1.2 环路滤波器(LPF)  27-29
    2.1.3 压控振荡器(VCO)的线性模型  29
    2.1.4 分频器的线性模型  29
    2.1.5 整数分频电荷泵型锁相环的线性分析  29-30
    2.1.6 三阶二类CP-PLL的传递函数  30-33
    2.1.7 环路滤波器的控制系统的解释  33-34
  2.2 电荷泵型锁相环的离散模型  34-45
    2.2.1 Gardner的模型  34-36
    2.2.2 Hein的模型  36-37
    2.2.3 新型的z域模型  37-45
  2.3 新型z域模型对电路设计的意义  45-46
  2.4 总结  46-47
  参考文献  47-49
第三章电荷泵锁相环中噪声抖动的z域分析  49-74
  3.1 相位噪声和时间抖动  49
  3.2 相位噪声  49-52
    3.2.1 相位功率谱密度  50-51
    3.2.2 电压功率谱密度  51
    3.2.3 单边带相位噪声  51-52
    3.2.4 相位噪声测试原理  52
  3.3 时间抖动  52-55
    3.3.1 周期抖动  53
    3.3.2 周期对周期抖动  53-54
    3.3.3 绝对抖动  54-55
    3.3.4 时间抖动的测试  55
  3.4 振荡器中相位噪声和时间抖动间的关系  55-63
    3.4.1 维纳过程  55-56
    3.4.2 维纳过程的数学引出  56-58
    3.4.3 随机过程的功率谱  58
    3.4.4 相位噪声与时间抖动的解析关系  58-62
    3.4.5 解析关系的数值讨论  62-63
  3.5 振荡器的相位噪声模型  63-64
  3.6 CP-PLL中时间抖动的z域分析  64-71
    3.6.1 留数定理  65
    3.6.2 相位噪声和抖动的z域关系  65-66
    3.6.3 VCO相位噪声和抖动的z域推导  66
    3.6.4 环路的抖动和优化带宽的z域推导  66-71
  3.7 总结  71-72
  参考文献  72-74
第四章新型电流模滤波器CP-PLL设计  74-108
  4.1 CP-PLL电路设计中面临的挑战及应对  74-75
  4.2 带宽自适应锁相环  75-81
    4.2.1 自偏置技术  76-78
    4.2.2 电流模滤波器  78-79
    4.2.3 自偏置电流模滤波器  79-81
  4.3 新型的自偏置电流模环路滤波器  81-86
    4.3.1 电路原型图的提出  81-82
    4.3.2 改进的电流模环路滤波器  82-86
  4.4 电荷泵电路  86-87
  4.5 环形压控振荡器(Ring-VCO)电路  87-93
    4.5.1 Negative-skew环形振荡器  88-91
    4.5.2 一个低噪声Negative-skew环形振荡器的设计  91-93
  4.6 分频器电路  93-96
    4.6.1 预分频电路(prescaler)  93-96
    4.6.2 P和S分频器  96
  4.7 鉴频鉴相器电路  96-98
  4.8 带宽自适应CP-PLL设计  98-104
    4.8.1 自偏置改进型电流模滤波器CP-PLL环路分析  98-100
    4.8.2 预充电启动电路  100
    4.8.3 环路仿真  100-104
  4.9 总结  104-105
  参考文献  105-108
第五章参考时钟电路的分析和设计  108-135
  5.1 晶体振荡器分析方法  108-109
    5.1.1 传递函数法  109
    5.1.2 分离阻抗法  109
  5.2 石英晶体的电学特性  109-112
    5.2.1 等效电路  110-111
    5.2.2 石英晶体的频率特性  111-112
  5.3 石英晶体振荡器的电路形式  112-113
  5.4 石英晶体振荡器的线性分析  113-120
    5.4.1 分离阻抗  113
    5.4.2 振荡的建立和时间常数  113-115
    5.4.3 振荡器的线性小信号分析  115-120
  5.5 振荡器的非线性分析  120-125
    5.5.1 弱反型(weak inversion)V～I关系  120-122
    5.5.2 强反型V～I关系  122-125
  5.6 石英晶体振荡器电路的设计  125-128
  5.7 电路仿真验证  128-130
    5.7.1 线性电阻PMOS的仿真设计  128-129
    5.7.2 电压跟随器的仿真设计  129
    5.7.3 施密特比较器的设计  129-130
  5.8 晶体振荡器的仿真技术  130-133
    5.8.1 电路的开环AC特性仿真分析  130-131
    5.8.2 AC负阻特性仿真分析  131
    5.8.3 瞬态阻抗的傅立叶仿真分析  131-132
    5.8.4 瞬态时域仿真分析  132-133
  5.9 总结  133-134
  参考文献  134-135
第六章芯片及测试  135-148
  6.1 VCO电路的芯片及测试  135-138
    6.1.1 VCO的调谐f～v曲线  136-137
    6.1.2 VCO的时间抖动测试  137
    6.1.3 VCO低电压特性  137-138
  6.2 锁相环电路的芯片及测试  138-143
    6.2.1 PLL工作范围的测试  139-141
    6.2.2 PLL功耗的测试  141
    6.2.3 PLL抖动性能的测试及比较  141-142
    6.2.4 PLL低电压特性的测试  142-143
  6.3 时钟电路的芯片及测试  143-146
    6.3.1 振荡器工作频率的测试  144-146
    6.3.2 振荡器抖动性能的测试及比较  146
  6.4 总结  146-147
  参考文献  147-148
第七章总结和展望  148-152
  7.1 结论  148-149
  7.2 工作中的不足和展望  149-152
攻读博士期间发表的论文列表  152-153

电荷泵锁相环的模型研究和电路设计

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