鎖相環(huán)具有跟蹤輸入信號相位和頻率,輸出穩(wěn)定頻率時鐘信號的能力,被廣泛應用于各個領(lǐng)域,不論是在通訊系統(tǒng),微處理器電路或者存儲電路中都起著非常重要的作用,甚至能夠直接決定整個系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和各項指標的優(yōu)劣。近年來隨著信息領(lǐng)域和微處理器的飛速發(fā)展,系統(tǒng)的工作頻率已經(jīng)高達幾十GHz,芯片尺寸一再縮小,不斷減小的芯片面積意味著需要更低的能耗,不斷提高的工作頻率意味著需要更好的噪聲性能等等,這對鎖相環(huán)電路的設計提出了更高的要求。由于電荷泵鎖相環(huán)具有易于集成、能耗低、捕獲范圍寬等特點,本文將對電荷泵鎖相環(huán)理論知識進行研究,設計一款為基帶芯片提供可變頻率時鐘的電荷泵鎖相環(huán)。本文首先分析鎖相環(huán)的基本原理、環(huán)路傳輸函數(shù)、噪聲以及帶寬等關(guān)鍵參數(shù)。進而討論各個子模塊及參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響,并詳細分析了開關(guān)電容做基準源的設計技術(shù),以及可變調(diào)諧曲線壓控振蕩器的實現(xiàn)方法。最后基于22nm的FinFET CMOS工藝,設計了一款能夠快速鎖定并自動校準工藝偏差的低功耗鎖相環(huán)。使用Spectre工具進行了仿真驗證,最終設計出的電荷泵鎖相環(huán)可輸出230.4MHz~1420.8MHz頻率范圍內(nèi)與輸入頻率38.4MHz呈整數(shù)倍的時鐘信號,在所有工作環(huán)境下鎖定時間小于2μs,相位噪聲低于-80dBc/Hz。本文設計中使用開關(guān)電容電路取代了傳統(tǒng)電荷泵鎖相環(huán)中的帶隙基準電路來作為電荷泵的電流基準源,其好處在于能夠通過開關(guān)電容隨環(huán)境的變化補償環(huán)路帶寬,有利于提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。最終仿真結(jié)果表明,在所有的工作條件下,相較于固定1μA電流做基準源的電荷泵鎖相環(huán)結(jié)構(gòu),開關(guān)電容做基準源的結(jié)構(gòu)使得整個環(huán)路的帶寬變化量減小了44%。在壓控振蕩器方面,采用了可以通過外部四位數(shù)字信號控制振蕩器并聯(lián)級數(shù)的結(jié)構(gòu),擴展了輸出頻率范圍,并使得壓控振蕩器的控制電壓保持在調(diào)諧曲線線性度較好的區(qū)間,在所有工作條件下都處于0.45V~0.65V范圍內(nèi)。由于FinFET工藝對電路的可靠性有更為嚴苛的要求,本次設計還對電路進行了EOS(電氣過應力)、AGING(器件老化)、EM(電遷移)以及SH(自熱效應)等可靠性方面的仿真,仿真結(jié)果表明電路有良好的工作可靠性,可以滿足工業(yè)標準。
【學位單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TN911.8
【部分圖文】：

第四章 電荷泵鎖相環(huán)電路設計與仿真39圖4.7 鑒頻鑒相器的時序圖本文使用的鑒頻鑒相器很好地改善了死區(qū)的問題，因為在兩個輸出都為高觸發(fā)RESET 后，需要經(jīng)過一個 N 管放電時間，一個 P 管充電時間才能傳播到 QA和 QB端，再加上四個反相器地延遲后才能傳播到電荷泵地開關(guān)控制端，有充足地時間使得電荷泵開關(guān)可以完全打開或關(guān)閉。4.3開關(guān)電容電流基準源鎖相環(huán)系統(tǒng)的帶寬是一個非常重要且需要折衷的值，一方面要考慮系統(tǒng)的鎖定時間，另一方面也要對系統(tǒng)的帶內(nèi)帶外噪聲進行折衷考慮。本文設計中，為了減小溫度，工藝偏差等問題對帶寬的影響

件下的帶寬分布和使用固定 1μA 電流下的帶寬分布的對比圖。I_sciref 代表使用了開關(guān)電容結(jié)構(gòu)時的環(huán)路帶寬曲線，I_fixed 代表使用固定 1μA 時的環(huán)路帶寬曲線。圖4.12 兩種情況下的帶寬對比經(jīng)過計算，兩種情況下帶寬的變化標準差分別為 102kHz 和 185kHz，表格 4.2 中為帶寬的具體數(shù)據(jù)�？梢钥吹剑褂瞄_關(guān)電容后，帶寬值變化幅度大大減小，因此可以得到結(jié)論，開關(guān)電容做電荷泵電流源使得帶寬變得更加穩(wěn)定，這對整個電荷泵鎖相環(huán)的性能是有幫助的。GBWin Isciref為使用開關(guān)電容結(jié)構(gòu)時的環(huán)路帶寬，GBWin Ifixed為固定 1μA 電流時的環(huán)路帶寬。表4.2 不同工藝模型下兩種情況的帶寬值tttt rfff rsss rffs rssfGBW in Isciref(MHz) 0.875 0.817 0.913 1.01 0.818GBW in Ifixed(MHz) 0.849 0.950 0.739 1.11 0.6244.4電荷泵設計理想的電荷泵鎖相環(huán)具有無限的環(huán)路直流增益，如果電荷泵是理想的，那么就可以實現(xiàn)零靜態(tài)相位誤差，但實際中的電荷泵不可能實現(xiàn)這些完全理想的特性。對于電荷泵電路的非理想特性在前面的章節(jié)已經(jīng)有過詳細分析

西安電子科技大學碩士學位論文個電荷泵模塊有 7 組此結(jié)構(gòu)的開關(guān)電路，分別對應了 21 路的充放電斷由信號 disable 信號決定，每個開關(guān)電路地 disable 信號由外部的控制，實現(xiàn)充放電電流地可編程，不同地分頻比 N 對應不同的 ki 值穩(wěn)定性。ki<2:0>信號和充放電電流 Icp大小的關(guān)系見表格 4.3。表4.3電荷泵充放電電流大小與 ki<2:0>的關(guān)系i<2:0> 001 010 011 100 101 110 p(μA) 1.3 2.7 4.1 5.4 6.8 8.2 荷泵通過對低通濾波器中的電容充當電來控制壓控振蕩器的控制端電波形如圖 4.15 所示。
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本文編號：2892539