發(fā)布時間：2017-09-17 13:38

  本文關(guān)鍵詞：基于40nm CMOS工藝下5GHz鎖相環(huán)設(shè)計

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【摘要】：芯片間并行通信因其各數(shù)據(jù)位直接相連,就要求有足夠的芯片引腳,然而芯片封裝中引腳的尺寸卻不能像集成電路越做越小,這無疑限制了芯片集成的發(fā)展速度,增加了設(shè)計成本；另一方面,并行通信對時鐘信號的同步性要求比較高,這就限制了傳輸接口速度的提高,這都表明傳統(tǒng)并行通信發(fā)展遇到了瓶頸。而SerDes作為異步模式的串行通信,因其所需引腳少,傳輸數(shù)據(jù)率高,而逐漸成為通信系統(tǒng)中的主流模式。本文描述的SerDes系統(tǒng)依據(jù)IEEE 10GBASE-KR協(xié)議。鎖相環(huán)(PLL, Phase Locked Loop)作為SerDes系統(tǒng)中提供時鐘源的重要模塊,同時也是SerDes系統(tǒng)中隨機噪聲的主要來源,其抖動性能影響著系統(tǒng)的誤碼率。在10Gb/s高通信數(shù)據(jù)率下,實現(xiàn)滿足系統(tǒng)誤碼率要求的低抖動時鐘成為本設(shè)計的挑戰(zhàn)。本文基于SMIC 40nm工藝,實現(xiàn)了一款應(yīng)用于10Gb/s高速串并接口電路的5GHz鎖相環(huán)。通過對環(huán)路傳輸特性的分析,本文設(shè)定了較優(yōu)化的指標(biāo)參數(shù)。為使鎖相環(huán)擁有更好的抖動性能,鎖相環(huán)輸入?yún)⒖夹盘栠x擇經(jīng)典的156.25MHz,環(huán)路帶寬選擇為3MHz以達(dá)到更好的抑制振蕩器相位噪聲的目的。鎖相環(huán)中的壓控振蕩器(VCO, Voltage Controlled Oscillator)采用了擁有更好相位噪聲性能的串聯(lián)耦合正交結(jié)構(gòu)(S-QVCO, Series Quadrature VCO),環(huán)路實現(xiàn)4路等相位間隔的5.15625GHz時鐘輸出。環(huán)路輸出采用二分頻單轉(zhuǎn)差緩沖器實現(xiàn)可忽略相差的8路等相位間隔的2.578125GHz時鐘,本文實現(xiàn)多頻多相并行輸出,而不是單純的提高PLL工作頻率,能夠?qū)崿F(xiàn)更高的操作頻率。電荷泵則采用共源共柵結(jié)構(gòu),并利用了負(fù)反饋技術(shù)以更好的提高電流匹配性能。本文的鎖相環(huán)環(huán)路設(shè)計在SMIC 40nm工藝下設(shè)計實現(xiàn)了5.15625GHz時鐘和2.578125GHz時鐘多頻多相并行輸出,在1.1V的供電電壓下,總電流為7.6mA。仿真結(jié)果顯示,振蕩器在3MHz頻偏處的FoM (Figure of Merit)達(dá)到了-183.97dBc/Hz的優(yōu)良性能,通過對環(huán)路各模塊噪聲貢獻(xiàn)的分析,得出鎖相環(huán)輸出的5.16GHz時鐘在10kHz至100MHz頻率范圍內(nèi)的抖動約為107fs(rms),鎖定時間約為1.5us,總面積為780um*410um,滿足系統(tǒng)1ps(rms)的指標(biāo)要求。另一方面,本文通過分析先進(jìn)工藝下的晶體管漏電流對環(huán)路的影響,采用了電流補償措施,使環(huán)路輸出雜散性能改善了2.17dB。
【關(guān)鍵詞】：鎖相環(huán) 低抖動 正交壓控振蕩器 多相時鐘
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN911.8;TN402
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-15
• 第1章 緒論15-20
• 1.1 研究背景和意義15-17
• 1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀17-19
• 1.3 論文工作及組織結(jié)構(gòu)19-20
• 第2章 鎖相環(huán)的環(huán)路分析20-35
• 2.1 鎖相環(huán)基本概念20-22
• 2.1.1 鎖相環(huán)概念20-21
• 2.1.2 鎖相環(huán)環(huán)路參數(shù)21-22
• 2.2 電荷泵型鎖相環(huán)數(shù)學(xué)模型分析22-32
• 2.2.1 鑒頻鑒相器及電荷泵模型分析23-25
• 2.2.2 壓控振蕩器及分頻器模型25-26
• 2.2.3 環(huán)路濾波器模型分析26-29
• 2.2.4 三階鎖相環(huán)環(huán)路模型分析29-32
• 2.3 鎖相環(huán)噪聲模型分析32-34
• 2.3.1 鎖相環(huán)噪聲模型32-33
• 2.3.2 鎖相環(huán)雜散33-34
• 2.4 本章小結(jié)34-35
• 第3章 壓控振蕩器設(shè)計35-66
• 3.1 振蕩條件35-36
• 3.2 振蕩器類型36-44
• 3.2.1 環(huán)形振蕩器37-40
• 3.2.2 負(fù)阻型振蕩器40-42
• 3.2.3 壓控振蕩器性能指標(biāo)與設(shè)計流程42-44
• 3.3 相位噪聲與抖動44-52
• 3.3.1 相位噪聲模型44-47
• 3.3.2 壓控振蕩器的相位噪聲優(yōu)化47-50
• 3.3.3 抖動與相位噪聲的關(guān)系50-52
• 3.4 正交壓控振蕩器52-65
• 3.4.1 正交信號的產(chǎn)生52
• 3.4.2 電感電容正交壓控振蕩器基本原理52-58
• 3.4.3 電感電容正交壓控振蕩器設(shè)計58-65
• 3.5 本章小結(jié)65-66
• 第4章 鎖相環(huán)環(huán)路模塊設(shè)計66-88
• 4.1 鑒頻鑒相器設(shè)計66-69
• 4.2 電荷泵設(shè)計69-75
• 4.2.1 鎖相環(huán)的非理想效應(yīng)69-70
• 4.2.2 電荷泵非理想效應(yīng)的改進(jìn)70-73
• 4.2.3 本文電荷泵設(shè)計73-75
• 4.3 分頻器設(shè)計75-81
• 4.4 差分二分頻緩沖器設(shè)計81-82
• 4.5 環(huán)路濾波器設(shè)計82-83
• 4.6 環(huán)路仿真83-87
• 4.7 本章小結(jié)87-88
• 第5章 總結(jié)與展望88-90
• 5.1 本文總結(jié)88
• 5.2 存在的不足與展望88-90
• 參考文獻(xiàn)90-95
• 致謝95-96
• 在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文96

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