本文關鍵詞：基于40nm CMOS工藝下5GHz鎖相環(huán)設計

  更多相關文章： 鎖相環(huán) 低抖動 正交壓控振蕩器 多相時鐘

【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計的挑戰(zhàn)。本文基于SMIC 40nm工藝,實現(xiàn)了一款應用于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,本文設定了較優(yōu)化的指標參數(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)路設計在SMIC 40nm工藝下設計實現(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)達到了-183.97dBc/Hz的優(yōu)良性能,通過對環(huán)路各模塊噪聲貢獻的分析,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)的指標要求。另一方面,本文通過分析先進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。
【關鍵詞】：鎖相環(huán) 低抖動 正交壓控振蕩器 多相時鐘
【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：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 負阻型振蕩器40-42
• 3.2.3 壓控振蕩器性能指標與設計流程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)路模塊設計66-88
• 4.1 鑒頻鑒相器設計66-69
• 4.2 電荷泵設計69-75
• 4.2.1 鎖相環(huán)的非理想效應69-70
• 4.2.2 電荷泵非理想效應的改進70-73
• 4.2.3 本文電荷泵設計73-75
• 4.3 分頻器設計75-81
• 4.4 差分二分頻緩沖器設計81-82
• 4.5 環(huán)路濾波器設計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90-95
• 致謝95-96
• 在讀期間發(fā)表的學術(shù)論文96

【相似文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 魏建瑋;王珂;;鎖相環(huán)路的研究[J];黑龍江科技信息;2009年04期

2 刁應蒿;;鎖相環(huán)路捕捉時間測量[J];計算機與網(wǎng)絡;1977年03期

3 S.C.Gupta ,李宗杰;數(shù)字式鎖相環(huán)路的現(xiàn)狀[J];科技譯報;1972年02期

4 ;一種簡便的改進鎖相環(huán)路牽引能力的方法[J];電訊技術(shù);1973年01期

5 趙志喜;一種鎖相環(huán)路快捕的方法[J];電子技術(shù)應用;1984年04期

6 趙明江;;鎖相環(huán)路的設計與研制[J];長春光學精密機械學院學報;1983年02期

7 高澤溪;王誕燕;;鎖相環(huán)路實驗綜合裝置[J];實驗技術(shù)與管理;1991年05期

8 陳正良;;一種新的雙D鎖相環(huán)路鎖定指示方法[J];電訊技術(shù);1993年04期

9 何家禎,劉青田;一種實用的鎖相環(huán)路[J];廣播與電視技術(shù);1999年03期

10 李堯;董姝敏;喬雙;;鎖相環(huán)的改進及仿真[J];東北師大學報(自然科學版);2005年04期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 劉青松;;微波取樣鎖相環(huán)設計與捕捉過程分析[A];2011年全國微波毫米波會議論文集（下冊）[C];2011年

2 高人莊;;鎖相環(huán)的特點及在通信中的應用[A];四川省通信學會一九九四年學術(shù)年會論文集[C];1994年

3 孔祥釗;李貴芳;柴宏貴;;鎖相環(huán)路的初步調(diào)試[A];2007年全國微波毫米波會議論文集（上冊）[C];2007年

4 任亮;呂明;;載波跟蹤數(shù)字三階鎖相環(huán)分析與設計[A];中國通信學會第五屆學術(shù)年會論文集[C];2008年

5 馮雷;;分諧波采樣鎖相環(huán)和分頻式鎖相環(huán)的性能比較[A];中國工程物理研究院科技年報（2003）[C];2003年

6 王萍;張志強;;全站儀紅外發(fā)射系統(tǒng)鎖相環(huán)路設計研究[A];2007'中國儀器儀表與測控技術(shù)交流大會論文集（二）[C];2007年

7 陸惠義;;八毫米半主動導引頭鎖相前端[A];1999年全國微波毫米波會議論文集(下冊)[C];1999年

8 謝彥;蔡勇;;鎖相環(huán)路對氫原子鐘性能影響的實驗分析[A];第二屆中國衛(wèi)星導航學術(shù)年會電子文集[C];2011年

9 王峗;袁嗣杰;楊君;;二階鎖相環(huán)路的數(shù)字域相圖法非線性分析[A];第十四屆全國信號處理學術(shù)年會(CCSP-2009)論文集[C];2009年

10 陳小魚;齊建中;宋鵬;;一種精確GPS授時方法的研究與實現(xiàn)[A];第三屆中國衛(wèi)星導航學術(shù)年會電子文集——S04原子鐘技術(shù)與時頻系統(tǒng)[C];2012年

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前4條

1 孫泉;單片有源像素傳感器中鎖相環(huán)時鐘發(fā)生器研究[D];北京航空航天大學;2010年

2 馬卓;面向高性能CPU的鎖相環(huán)低抖動技術(shù)研究[D];國防科學技術(shù)大學;2013年

3 趙巖;高精度快速非陀螺尋北系統(tǒng)速度穩(wěn)定性研究[D];中國科學院研究生院（長春光學精密機械與物理研究所）;2005年

4 鄭永正;UWB系統(tǒng)中時鐘電路的研究與設計[D];復旦大學;2009年

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 張曼蓉;基于鎖相環(huán)的超低差頻信號檢測技術(shù)研究[D];浙江大學;2015年

2 趙雪;鎖相頻率合成電路仿真分析及設計實現(xiàn)[D];中國科學院研究生院(空間科學與應用研究中心);2015年

3 王傳林;三相并網(wǎng)逆變器軟件鎖相技術(shù)的研究[D];中國礦業(yè)大學;2015年

4 王峰;寬帶光鎖相環(huán)技術(shù)研究[D];電子科技大學;2014年

5 宋艷紅;基于FPGA的GNSS信號載波同步技術(shù)研究[D];大連海事大學;2015年

6 徐汝云;MICS接收機中小數(shù)分頻鎖相環(huán)的研究與設計[D];電子科技大學;2014年

7 侯力梅;CMOS鎖相環(huán)的研究與設計[D];黑龍江大學;2015年

8 白海強;數(shù)字延遲鎖相環(huán)鎖定算法研究[D];國防科學技術(shù)大學;2014年

9 鄭鵬;科斯塔斯鎖相環(huán)在光纖激光器相干合成中的應用研究[D];西安電子科技大學;2015年

10 王麗;CMOS快速鎖定鎖相環(huán)的研究與設計[D];合肥工業(yè)大學;2015年

，

本文編號：869717