發(fā)布時(shí)間：2020-11-21 04:41

　　 鎖相環(huán)具有跟蹤輸入信號(hào)相位和頻率,輸出穩(wěn)定頻率時(shí)鐘信號(hào)的能力,被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,不論是在通訊系統(tǒng),微處理器電路或者存儲(chǔ)電路中都起著非常重要的作用,甚至能夠直接決定整個(gè)系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和各項(xiàng)指標(biāo)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(dá)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(duì)鎖相環(huán)電路的設(shè)計(jì)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(diǎn),本文將對(duì)電荷泵鎖相環(huán)理論知識(shí)進(jìn)行研究,設(shè)計(jì)一款為基帶芯片提供可變頻率時(shí)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(jìn)而討論各個(gè)子模塊及參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響,并詳細(xì)分析了開關(guān)電容做基準(zhǔn)源的設(shè)計(jì)技術(shù),以及可變調(diào)諧曲線壓控振蕩器的實(shí)現(xiàn)方法。最后基于22nm的FinFET CMOS工藝,設(shè)計(jì)了一款能夠快速鎖定并自動(dòng)校準(zhǔn)工藝偏差的低功耗鎖相環(huán)。使用Spectre工具進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,最終設(shè)計(jì)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(shí)鐘信號(hào),在所有工作環(huán)境下鎖定時(shí)間小于2μs,相位噪聲低于-80dBc/Hz。本文設(shè)計(jì)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(zhǔn)電路來作為電荷泵的電流基準(zhǔn)源,其好處在于能夠通過開關(guān)電容隨環(huán)境的變化補(bǔ)償環(huán)路帶寬,有利于提高整個(gè)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(zhǔn)源的電荷泵鎖相環(huán)結(jié)構(gòu),開關(guān)電容做基準(zhǔn)源的結(jié)構(gòu)使得整個(gè)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(hào)控制振蕩器并聯(lián)級(jí)數(shù)的結(jié)構(gòu),擴(kuò)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(duì)電路的可靠性有更為嚴(yán)苛的要求,本次設(shè)計(jì)還對(duì)電路進(jìn)行了EOS(電氣過應(yīng)力)、AGING(器件老化)、EM(電遷移)以及SH(自熱效應(yīng))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(biāo)準(zhǔn)。
【學(xué)位單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)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(shè)計(jì)與仿真39圖4.7 鑒頻鑒相器的時(shí)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?yàn)樵趦蓚�(gè)輸出都為高觸發(fā)RESET 后，需要經(jīng)過一個(gè) N 管放電時(shí)間，一個(gè) P 管充電時(shí)間才能傳播到 QA和 QB端，再加上四個(gè)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(shí)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(zhǔn)源鎖相環(huán)系統(tǒng)的帶寬是一個(gè)非常重要且需要折衷的值，一方面要考慮系統(tǒng)的鎖定時(shí)間，另一方面也要對(duì)系統(tǒng)的帶內(nèi)帶外噪聲進(jìn)行折衷考慮。本文設(shè)計(jì)中，為了減小溫度，工藝偏差等問題對(duì)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(duì)比圖。I_sciref 代表使用了開關(guān)電容結(jié)構(gòu)時(shí)的環(huán)路帶寬曲線，I_fixed 代表使用固定 1μA 時(shí)的環(huán)路帶寬曲線。圖4.12 兩種情況下的帶寬對(duì)比經(jīng)過計(jì)算，兩種情況下帶寬的變化標(biāo)準(zhǔn)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�，使用開關(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(duì)整個(gè)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(shí)的環(huán)路帶寬，GBWin Ifixed為固定 1μA 電流時(shí)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(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)零靜態(tài)相位誤差，但實(shí)際中的電荷泵不可能實(shí)現(xiàn)這些完全理想的特性。對(duì)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(xì)分析

西安電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文個(gè)電荷泵模塊有 7 組此結(jié)構(gòu)的開關(guān)電路，分別對(duì)應(yīng)了 21 路的充放電斷由信號(hào) disable 信號(hào)決定，每個(gè)開關(guān)電路地 disable 信號(hào)由外部的控制，實(shí)現(xiàn)充放電電流地可編程，不同地分頻比 N 對(duì)應(yīng)不同的 ki 值穩(wěn)定性。ki<2:0>信號(hào)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(duì)低通濾波器中的電容充當(dāng)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(hào)：2892539