本文關(guān)鍵詞：基于40nm CMOS工藝的1.5-3.0GHz電荷泵鎖相環(huán)的設(shè)計，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：21世紀(jì)以來,隨著通信需求的提高,新的通信技術(shù)和實現(xiàn)方式迅猛發(fā)展。同時,由于人類生活水平的提高,對無線通信技術(shù)的發(fā)展提出了更高的要求。智能無線終端也從根本上顛覆了人類的生產(chǎn)和生活方式。物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things,IoTs)、智慧家庭、智慧城市、可穿戴等新興市場的崛起促使無線通信集成電路向單片化、低功耗、高能效等方向發(fā)展。而鎖相環(huán)(Phase Locked Loop, PLL)作為無線通信集成電路系統(tǒng)中的重要模塊單元,它的性能很大程度上影響著相應(yīng)通信系統(tǒng)的誤碼率。本文基于SMIC 40nm工藝設(shè)計了一個輸出頻率范圍在1.5-3.0GHz電荷泵鎖相環(huán)(Charge Pump Phase Locked Loop, CPPLL)電路。電荷泵(Charge Pump, CP)的性能決定了鎖相環(huán)帶內(nèi)的噪聲性能和雜散水平。電荷泵電路存在的非理想效應(yīng)會使得控制電壓上產(chǎn)生紋波并周期性的調(diào)制壓控振蕩器(Voltage Controlled Oscillator, VCO)的輸出產(chǎn)生參考雜散,影響輸出的噪聲性能。本文設(shè)計了一個改進型動態(tài)匹配電荷泵電路,最大電流失配率為0.83%@0.3-0.7V,相比較于傳統(tǒng)電荷泵電路參考雜散由-37.65dBc降低至-56.37dBc,改善了鎖相環(huán)雜散性能。環(huán)路濾波器是一個低通濾波器(Low Pass Filter, LPF)。它會濾除控制電壓上的高頻諧波,同時也會抑制鎖相環(huán)的帶外噪聲。濾波器的帶寬同時決定了整個鎖相環(huán)的性能,包括鎖定時間、穩(wěn)定性、參考雜散等。本文采用雙電荷泵的鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)從而有效的減小了環(huán)路濾波器的面積。壓控振蕩器作為鎖相環(huán)電路的核心電路模塊,它的性能直接決定了鎖相環(huán)電路的噪聲性能。目前鎖相環(huán)中的壓控振蕩器主要由兩種方式實現(xiàn),一種是基于延遲單元的環(huán)形振蕩器,另一種是基于電感電容的振蕩器。本文分析了振蕩器電路的工作原理和數(shù)學(xué)模型并基于延遲單元設(shè)計了一個輸出頻率范圍在1.5-3.0GHz的環(huán)形振蕩器，輸出3.0GHz時其相位噪聲為-86.84dB @1MHz。最后,本文基于SMIC 40nm工藝下設(shè)計了一個供電電壓1.1V的電荷泵鎖相環(huán)電路。鎖相環(huán)的輸出頻率范圍為1.5-3.0GHz,核心電路為0.1mm2,鎖定時間約為60μs,功耗為3.5mW @3.0GHz,峰峰抖動為11.65ps @3.0GHz。
【關(guān)鍵詞】：無線通信 鎖相環(huán) 電荷泵 壓控振蕩器
【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
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-16
• 第1章 緒論16-20
• 1.1 研究背景16
• 1.2 集成鎖相環(huán)的發(fā)展16-18
• 1.2.1 集成電路的發(fā)展16-17
• 1.2.2 鎖相環(huán)電路的發(fā)展與應(yīng)用17-18
• 1.3 論文的主要工作及結(jié)構(gòu)安排18-20
• 1.3.1 論文的主要工作18-19
• 1.3.2 結(jié)構(gòu)安排19-20
• 第2章 鎖相環(huán)的組成和工作原理20-40
• 2.1 鎖相環(huán)電路概述20-21
• 2.2 鑒頻鑒相器21-25
• 2.3 電荷泵25-27
• 2.3.1 電荷泵的工作原理25-26
• 2.3.2 電荷泵分類26-27
• 2.4 環(huán)路濾波器27-29
• 2.4.1 無源濾波器27-28
• 2.4.2 有源濾波器28-29
• 2.5 壓控振蕩器29-36
• 2.5.1 壓控振蕩器起振條件30-31
• 2.5.2 壓控振蕩器分類31-36
• 2.6 分頻器36-38
• 2.6.1 脈沖吞咽分頻器36-37
• 2.6.2 除2/3分頻單元級聯(lián)的分頻器37-38
• 2.7 本章小結(jié)38-40
• 第3章 鎖相環(huán)的環(huán)路參數(shù)和環(huán)路特性40-56
• 3.1 鎖相環(huán)環(huán)路特性分析40-45
• 3.1.1 二階電荷泵鎖相環(huán)數(shù)學(xué)模型和環(huán)路特性分析40-43
• 3.1.2 三階電荷泵鎖相環(huán)數(shù)學(xué)模型和環(huán)路特性分析43-45
• 3.2 電荷泵鎖相環(huán)的噪聲特性45-52
• 3.2.1 時鐘抖動45-47
• 3.2.2 相位噪聲47-48
• 3.2.3 參考雜散及其產(chǎn)生機制48-49
• 3.2.4 相位噪聲的影響49-50
• 3.2.5 鎖相環(huán)中各模塊噪聲傳遞函數(shù)50-52
• 3.3 鎖相環(huán)設(shè)計過程52
• 3.4 1.5-3.0 GHz電荷泵鎖相環(huán)設(shè)計52-54
• 3.5 本章小結(jié)54-56
• 第4章 電荷泵鎖相環(huán)中各電路模塊設(shè)計56-86
• 4.1 鑒頻鑒相器設(shè)計與仿真56-62
• 4.1.1 鑒頻鑒相器的“死區(qū)”效應(yīng)和消除56-57
• 4.1.2 鑒頻鑒相器中的DFF的實現(xiàn)57-60
• 4.1.3 鑒頻鑒相器的設(shè)計與仿真60-62
• 4.2 電荷泵設(shè)計與仿真62-76
• 4.2.1 電荷泵的非理想效應(yīng)62-66
• 4.2.2 常見的電荷泵電路66-70
• 4.2.3 低電流失配電荷泵的設(shè)計70-76
• 4.3 環(huán)路濾波器的設(shè)計76-77
• 4.4 壓控振蕩器設(shè)計與仿真77-83
• 4.4.1 環(huán)形振蕩器延遲單元設(shè)計77-80
• 4.4.2 環(huán)形振蕩器設(shè)計與仿真80-83
• 4.5 分頻器設(shè)計與仿真83-85
• 4.6 本章小結(jié)85-86
• 第5章 鎖相環(huán)的版圖設(shè)計和環(huán)路仿真結(jié)果86-96
• 5.1 集成電路版圖設(shè)計86-93
• 5.1.1 版圖的設(shè)計規(guī)則和流程86-87
• 5.1.2 版圖的匹配技術(shù)87-89
• 5.1.3 版圖中的閂鎖效應(yīng)和天線效應(yīng)89-90
• 5.1.4 版圖中的干擾和噪聲90
• 5.1.5 鎖相環(huán)各模塊版圖和整體版圖90-93
• 5.2 鎖相環(huán)的聯(lián)合仿真結(jié)果93-95
• 5.3 本章小結(jié)95-96
• 第6章 總結(jié)與展望96-98
• 6.1 總結(jié)96-97
• 6.2 展望97-98
• 參考文獻98-104
• 致謝104-106
• 在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文106

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本文編號：340419