基于PLL锁相环技术压控振荡器.docx

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基于PLL锁相环技术压控振荡器

西北大学

硕士学位论文

CMOS电荷泵锁相环的研究与设计

姓名：

王瑾

申请学位级别：

硕士专业：

微电子学与固体电子学

指导教师：

田泽

20080619

西北人学硕。

ｆ＝学位论文

摘要

锁相环电路是使一个特殊系统跟踪另外一个系统，更确切的说是一种输出信号在频率和相位上能够与输入参考信号同步的电路，它是模拟及数模混合电路中的一个基本的而且是非常重要的模块。

由于锁相环具有捕获、跟踪和窄带滤波的作用，因此被应用在通信、微处理器、以及卫星等许多领域。

锁相环是通信电路里时钟电路的一个重要模块。

随着现代集成电路技术的发展，ＳＯＣ成为设计主流，锁相环越发成为现代超大规模集成电路设计中不可或缺的一个基本模块，所以对锁相环的研究和设计具有积极的现实意义。

本文详细介绍了一个用于通信集成电路的电荷泵锁相环电路的研究与设计。

论文首先对锁相环的发展历史和研究现状做了介绍，然后从其基本工作原理出发，以传统锁相环的结构为基础，得到了锁相环的数学模型，对锁相环的跟踪性能、捕获性能、稳定性以及噪声性能等各种性能进行了深入分析，对锁相环的各项指标参数进行了详细推导，得出了锁相环数学分析的结论。

本文采用的电荷泵锁相环的结构不同于原有的锁相环，所以对电荷泵锁相环的工作原理、数学模型以及相关性能进行了比较详细的分析，同时对其自身的特点进行了介绍。

最后，详细描述了电路的设计过程，包括锁相环的整体电路以及鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器、分频器等电路模块的分析和设计，同时采用Ｈｓｐｉｃｅ软件对电路进行了仿真，并进行了版图的设计。

仿真结果表明，锁相环电路达到了设计指标要求。

关键词：

ＣＭＯＳ，锁相环，电荷泵，噪声，版图

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西北人学硕上学位论义

ＴｈｅＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄｏｆＣＭＯＳＰｈａｓｅ－Ｌｏｃｋｅｄ

ＤｅｓｉｇｎＣｈａｒｇｅ－ＰＩｌｍｐＬｏｏｐ

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１【ｅｙｗｏｒｄｓ：

ＣＭＯＳ，ＰＬＬ’Ｃｈａｒｇｅ—Ｐｕｍｐ，Ｎｏｉｓｅ，Ｉ＿ｙｏｕｔ

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西北大学学位论文知识产权声明书

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本人声明：

所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究

成果。

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的说明并表示谢意。

学位论文作者签名：

壬～．孑蔓一

１．，矿ｇ年占月厂夕日两北人学硕Ｉｊ学位论文

第一章绪论

１．１国际集成电路技术的发展和我国集成电路技术的现状

集成电路（ＩＣ：

ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）技术是当代发展最快的技术之一，是微电子技术的核心，是电子信息产业的基础和心脏。

从１９５８年美国诞生第一块集成电路到现在，集成电路己发展到甚大规模、４５纳米精度和集成上亿个晶体管的水平。

美国ＩＢＭ公司和Ｉｎｔｅｌ公司都已经具有了世界最先进的３２纳米芯片制造工艺，这一新工艺预计将在２００９年应用于生产，用来制造微处理器和其它ＩＣ产品。

人们认为：

微电子技术尤其是集成电路技术的发展和应用使全球发生了第三次工业革命。

随着集成电路被广泛应用于各个领域，ＩＣ的设计技术、工艺技术、封装技术和测试技术，将不断发展和更新。

先进的生产制造技术的不断出现，将促进集成电路技术的发展，并使整个电子信息产业发生更加深刻的变化。

纵观我国形势，信息产业迅猛发展，但作为其支撑的集成电路产业却举步维艰，长期以来没有走上支撑信息社会建设、生存并向前发展的良性循环道路。

我国目前生产的集成电路只能满足国内市场需求的２０％，更为重要的是关系到我国国家信息安全的关键集成电路，如计算机用ＣＰＵ、光纤通信系统中的超高速ＩＣ：

因特网的网关网卡电路、多媒体信息处理电路、数据处理系统中的ＤＳＰ等等，几乎都是从国外进口的。

无疑这极大地威胁了我国信息安全及国防安全，制约着我国信息产业的发展，限制了我国电子产品在国内外市场上的竞争力。

随着国家和外资对国内集成电路产业的投入，从２０００年到２００７年，制造技术从０．３５微米提高到９０纳米，跃升了四代，６５纳米开始导入生产，中芯国际与ＩＢＭ在４５纳米技术上开展合作，ＦＢＰ（平面凸点式封装）和ＭＣＰ（多芯片封装）等先进封装技术丌发成功并投入生产，自主丌发的８英寸１００纳米等离子刻蚀机和大角度离子注入机、１２英寸硅片已进入生产线使用，我国已经具备了生产超大规模集成电路的工艺条件。

随着国内高校对集成电路产业人才培养的投入，我国每年有数千名集成电路相关专业毕业生。

同时经过多年的培养和积累，我国已

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西北人学硕上学位论文

经拥有了一大批数字和模拟电路设计的专门人才，通过政府的引导和企业的组织，合理利用这些人才资源，我国集成电路产业发展的前途将是十分广阔的。

１．２锁相环的发展及国内外研究现状

锁相环（ＰＵ，ＰｈａｓｅＬｏｃｋｅｄ

Ｌ００ｐ）是自动频率控制和自动相位控制技术的融合。

人们对锁相环的最早研究始于２０世纪３０年代，其在数学理论方面的原理，３０年代无线电技术发展的初期就己出现。

１９３０年建立了同步控制理论的基础，１９３２年法国工程师贝尔赛什（Ｂｅｌｌｅｓｃｉｚｅ）发表了锁相环路的数学描述和同步检波的理论，第一次公开发表了对锁相环路的数学描述…。

锁相技术首先被用在同步接收中，为同步检波提供一个与输入信号载波同频的本地参考信号，同步检波能够在低信噪比条件下工作，且没有大信号检波时导致失真的缺点，因而受到人们的关注，但由于电路构成复杂以及成本高等原因，当时没有获得广泛应用。

到了１９４３年锁相环路第一次应用于黑白电视接收机水平同步电路中，它可以抑制外部噪声对同步信号的干扰，从而避免了由于噪声干扰引起的扫描随机触发使画面抖动的现象，使荧光屏上的电视图像稳定清晰瞳１。

随后，在彩色电视接收机中锁相电路用来同步彩色脉冲串。

从此，锁相环路开始得到了应用，迅速发展。

五十年代，随着空间技术的发展，由杰费（Ｊａ骶）和里希廷（Ｒｅｃｈｔｉｎ）研制成功利用锁相环路作为导弹信标的跟踪滤波器，他们第一次发表了含有噪声效应的锁相环路线性理论分析文章，并解决了锁相环路最佳设计化问题∞１。

空间技术的发展促进了人们对锁相环路及其理论的进一步探讨，极大地推动了锁相技术的发展Ｈ１。

六十年代初，维特比（Ｖｉｔｅｒｂｉ）研究了无噪声锁相环路的非线性理论问题，发表了相干通信原理的论文。

最初的锁相环都是利用分立元件搭建的，由于技术和成本方面的原因，所以当时只是用于航天、航空等军事和精密测量等领域。

集成电路技术出现后，直到１９６５年左右，随着半导体技术的发展，第一块锁相环芯片出现之后嵋１，锁相环才作为一个低成本的多功能组件开始大量应用各种领域。

最初的锁相环是纯模拟的

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两北人学硕ｆ：

学位论文

（ＡＰＬＬ），所有的模块都由模拟电路组成，它大多由四象限模拟乘法器来构建环路中的鉴相器，环路滤波器为低通滤波器（由电阻Ｒ电容Ｃ组成），压控振荡器的结构多种多样。

由于ＡＰＬＬ在稳定工作时，各模块都可以认为是线性工作的，所以也称为线性锁相环ＬＰＬＬ（ＬｉｎｅａｒＰｈａｓｅ．ｈｃｋｅｄｂｏｐ）。

ＡＰＬＬ对正弦特性信号的相位跟踪非常好，它的环路特性主要由鉴相器的特性决定。

其主要用于对信号的调制。

７０年代，林特赛（Ｕｎｄｓｙ）和查理斯（Ｃｈａｎｅｓ）在做了大量实验的基础上进行了有噪声的一阶、二阶及高阶ＰＬＬ的非线性理论分析。

随着人们对锁相技术的理论和应用进行的深入广泛的研究，伴随着数字电路的发展，鉴相器部分开始由数字电路代替，其它部分仍为模拟电路，这种锁相环就是最初的数字锁相环（ＤＰＬＬ），准确的名称为数模混合锁相环（Ｍｉｘｅｄ．ｓｉ印ａｌＰＵ。

）。

随着数模混合锁相环技术和理论的不断发展和完善，其成为了锁相环的主流。

电荷泵锁相环ＣＰＰＬＬ（ｃｈａｒｇｅ－ＰｕｍｐＰｈａｓｅ－ＬｏｃｋｅｄＬＤｏｐ）是数模混合ＰＬＬ的典型代表，其不可替代的优势在于：

在理论上，它可以证明静态相位误差为零，而且实践也证明它具有高速、低功耗、低抖动的特性，是设计实现锁相环的一个简单、高效的方法。

通过环路带宽、阻尼因子、锁定范围等变量的折中，可以对ＣＰＰＬＬ进行灵活地设计。

ＣＰＰＬＬ一般用数字电路实现环路中的分频器和鉴相器，模拟电路实现环路滤波器和压控振荡器等模块。

它主要用于频率综合，时钟处理等领域，是目前应用最为广泛的一种ＰＬＬ。

现在随着通信行业中对低成本、低功耗、大带宽、高数据传输速率的需求哺１，集成电路不断朝着高集成度、低功耗的方向发展口１。

低功耗、高工作频率、低电压的锁相环设计中，主要的挑战是设计合适的压控振荡器和高频率的分频器，针对这方面的研究，设计师们不断提出不同的技术，如压控振荡器和分频器由原来的串接改为堆叠结构、ＤＨ．ＰＬＬ结构等，随着设计人员的不断努力，锁相坏的性能不断提高，现在已经有工作频率达５０ＧＨｚ的锁相环阳１，同时也在通信和航空航天等领域中发挥着越来越重要的作要。

国外自第一个锁相环集成产品问世以来，几十年问发展极为迅速，产品种类繁多，工艺日新月异阳¨。

０３。

目前，除某些特殊用途的锁相环路外，几乎全部集成了，已生产出数百个品种。

现在，锁相技术己经成为一门系统的理论科学，它在

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学位论文

通信、雷达、航天、精密测量、计算机、红外、激光、原子能、立体声、马达控制以及图像等技术部门获得了广泛的应用。

锁相环电路可以由很多工艺实现，如ＣＭＯＳ、Ｂｉｐｏｌａｒ、ＢｉＣＭＯＳ或ＧａＡＳ工艺等。

一般ＧａＡｓ工艺条件用于高频高性能的场合，但代价较高。

其它常用工艺中，同等条件下双极（Ｂｉｐｏｌａｒ）器件的速度较ＣＭＯＳ器件快的多。

从实际工程的角度来看，这些工艺不易获得，即使有，价格也很昂贵。

ＣＭＯＳ技术以其工艺简单成熟、功耗低、易于实现等优点，在全球集成电路工业中得到广泛的应用…３。

通讯系统芯片的设计都越来越多的用ＣＭＯＳ工艺技术设计。

与其他工艺电路相比，最重要的优点是在同一个芯片上，可以成功地制造更多的晶体管，实现更多的功能。

这是因为单个的ＣＭＯＳ管占用的芯片面积比双极型晶体管少，ＣＭＯＳ管的制造步骤比双极型晶体管少，同时在ＣＭＯＳ管的电路中，可以采用动态技术，而在双极型晶体管电路中不能采用动态技术。

在给定工艺的情况下，集成电路的代价是与电路所占有的芯片面积呈正比的。

因此，设计人员必须尽可能的减小芯片面积和电路功耗。

这些都是和ＣＭＯＳ工艺的特点相符合的。

在实现相同功能的条件下，ＣＭＯＳ电路的制造成本要比双极电路的低的多。

因此，在大规模集成电路的应用中，ＣＭＯＳ电路占据了主导地位ｎ引。

美国国家半导体（ＮａｔｉｏｎａｌＳｅｍｉＣｏｎｄｕｃｔｏｒ）于２００３年６月宣布推出的ＬＭｘ２４３ｘ系列Ｐｕ丑ｔｉｎｕｍ锁相环芯片，其操作频率高达３ＧＨｚ以上，适用于无线局域网、５．８ＧＨｚ室内无绳电话、移动电话及基站等应用方案。

低功耗、超低的相位噪声（正常化相位噪音可达到—２１９ｄＢｃｍｚ）使其突显优势。

富士通（Ｆｕｉｉｔｓｕ）公司的ＰＬＬ系列芯片产品主要在无线通信系统中，设计频率合成器，用来产生本地振荡。

该系列产品覆盖了很宽的频率带宽，从１００ＭＨｚ到６ＧＨｚ。

富士通使用自己的ＢｉＣＭＯＳＲＦ工艺。

同时它也具有相关的其他产品，如ＶＣＯ，Ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ等。

该公司的ＰＬＬ共有三类可以选择：

Ｓｉｎ百ｅＩｎｔｅｇｅｒＰＬＬ，Ｄｕａｌ

ＰＬＬＬ０ｗＰｏｗｅｒ，以及Ｄｕａｌ

ＩｎｔｅｇｅｒＰＬＵＳＣＣＴ）一ＦａｓｔＬＤｃｋｕｐ。

国内的浩凯微电子（上海）有限公司于２００７年底研发出具有完全自主知识产权的高性能时钟锁相环ＩＰ系列产品，目前该系列产品已经过ＭＰＷ硅验证。

该锁相环系列采用全新的结构，独特的电荷泵和差分ＶＣＯ的设计，可以抑制电源和衬底噪声对ＶＣＯ的影响以确保ＰＬＬ有非常低的噪声，差分ＶＣＯ的独特设计

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两北人学硕１：

学位论文

可以使输出时钟维持５０％占空比且与ＶＣＯ同频，由于不需要倍频振荡，ＶＣＯ本身的功耗可降为常规设计的四分之一，有效降低了功耗。

相比国外而言，我国国内的ＩＣ设计水平相对比较落后，模拟设计环节更是薄弱，ＰＬＬ的技术几乎被国外垄断，国内很少有企业掌握高性能ＰＬＬ核心技术，产品更是少。

ＣＰＰＬＬ作为应用最广泛的一种锁相环，虽然它的理论己经比较成熟，但是它的设计与实现涉及到信号与系统、集成电子学、版图、半导体工艺和测试等方面，难度比较大。

因此，对电荷泵锁相环进行深入的研究，并掌握其设计和分析方法，从而发展国内ＰＬＬ技术和丰富国内ＰＵｌＰ库，具有重要意义。

１．３本文的主要内容组织

第一章对锁相环的发展和国内外研究现状进行了介绍，说明了本课题研究的重要意义。

第二章介绍了锁相环的基本原理，在基本原理的基础上进行了数学推导，得到了锁相环的数学模型，并进行了分析。

第三章分析了锁相环噪声的产生原因，并在数学模型上作了说明，并给出了设计建议。

第四章分析了电荷泵锁相环的组成，在理论上做出了说明，并给出了设计参考。

第五章根据以上章节的理论准备，设计了电荷泵锁相环的结构，并给出了仿真结果。

第六章进行了电荷泵锁相环版图的设计。

最后一章对本文进行了工作总结和展望。

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西北人学硕：

ｊ：

学位论义

第二章锁相环的基本理论

锁相环作为一个系统，主要包含三个基本模块：

鉴相器（ＰｈａｓｅＤｅｔｅｃｔｏｒ：

ＰＤ）、低通滤波器（ｋ｝ｗＰａｓｓＦｉｌｔｅｒ：

ＬＰＦ），亦即环路滤波器（Ｌ００ｐＦｉｌｔｅｒ：

ＬＦ），和压

ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＯｓｃｉｌｌａｔｏｒ：

ｖＣＯ）。

这三个基本模块组成的锁相环控振荡器（Ｖ０ｌｔａｇｅ

为基本锁相环¨驯，亦即线形锁相环（ＬＰＬＬ），如图２．１所示。

实际中使用的锁相环系统还包括放大器、分频器、混频器等模块，但是这些附加的模块不会影响锁相环的基本工作原理，可以忽略。

图２．１ＰＬＬ的原理图

整个锁相环是一个负反馈环路。

鉴相器检测输入参考信号Ｈ；（ｆ）和反馈信号“。

Ｏ）之间的相位差，利用相位差产生误差信号％Ｏ），低通滤波器滤除‰Ｏ）中的高频成分，调整环路参数，它的输出信号Ｈ。

（ｆ）被用来控制ＶＣＯ的频率和相位，从而减小或消除输出信号的相位偏差，最终使输出信号的相位锁定到输入参考信号的相位，因而称之为锁相环。

２．１锁相环的数学模型

在本节首先分析鉴相器、环路滤波器和压控振荡器的数学模型，然后给出锁相环环路的数学模型。

２．１．１鉴相器的数学模型

鉴相器检测输入参考信号和输出信号的相位差见（ｆ），输出误差信号“。

（ｆ），其输入输出满足线性关系“。

Ｏ）＝髟・见Ｏ）（式中巧表示鉴相器的“增益”，单位为伏／弧度），称之为鉴相特性，如图２．２所示。

实际情况中鉴相器的鉴相特性是多种多样的，有正弦特性、锯齿特性、三角

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两北人学硕上学位论文

特性等。

当信噪比降低时各种鉴相特性都趋向于正弦特性ｎ引，在本文中鉴相器以常见的正弦鉴相器即模拟乘法器（如吉尔伯特乘法器）为例来分析论述ｎ５１“引。

甜ｄ（ｔ）。

Ｌ

／一

／岛（ｔ）

图２．２鉴相器的传输特性

鉴相器的两个输入端信号分别假设为吩Ｏ）＝∽ｓｉｎ【ｑＯ）＋只Ｏ）】及Ｈ。

Ｏ）＝Ｕ。

ｓｉｎ【鸭（ｆ）＋眈（ｆ）】，式中∽、ｑ、谚Ｏ）分别为输入参考信号％Ｏ）的振幅、频率和以ｑＯ）为参考的瞬时相位，虬、心、眈（ｆ）分别为压控振荡器输出信号“。

（ｆ）的振幅、自由振荡角频率和以吧Ｏ）为参考的瞬时相位。

一般频率彻、铷是不同的，由于相位比较只有在同一频率的情况下才有意义，为了鉴相器进行同频鉴相的需要，统一以％（ｆ）为参考相位，定义两个新的输入信号为：

吩ｐ）＝∽ｓｉｎ【％ｆ＋ＢＯ）】、（２．１）

“。

Ｏ）＝虬ｃｏｓｈｆ＋岛Ｏ）】（２．２）上面两式中岛（ｆ）一△ｑｆ＋ｅＯ），△叱＝ｑ一％为环路的固有频差，包（ｔ）＝见（ｔ）。

则鉴相器的输出为：

“一（ｆ）＝蚝吩Ｏ如。

Ｏ）

—０ｕ；玑ｓｉｎ【％ｆ＋幺（ｆ）】ｃｏｓ【％ｆ＋＆（ｆ）】（２．３）

：

吾ｋ∽虬ｓｉｎ【２％ｆ＋Ｂ（ｆ）＋包（ｆ）】＋昙如配乩ｓｉｎ【Ｂｏ）一吼（ｆ）】式中‰为模拟乘法器的相乘系数。

在鉴相器的输出端连接一个低通滤波器，滤除高频成分２‰后，鉴相器的输出误差电压为：

‰（ｆ）；％ｓｉｎ吃Ｑ）（２．４）上式中％＝去ＫＵ虬，见ｏ）一岛ｏ）一岛（ｆ）。

由式（２．４）可得鉴相器的数学模型和鉴相特性，如图２．３所示。

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学位论文

“ｄ㈣Ｊｌ

ｎｎ．辱。

翌一２兀一靠Ｉ

■岛（ｔ）ＵｈＵ２‘ｅ（ｔ）

（ａ）（ｂ）

图２．３（ａ）鉴相器的数学模型（ｂ）鉴相器的鉴相特性

２．１．２环路滤波器的数学模型

环路滤波器亦即低通滤波器，其作用是滤除鉴相器输出误差电压信号中的高频成分，保证环路的稳定性，改善环路的跟踪特性和噪声特性ｎ”。

环路滤波器用无源或者有源ＲＣ滤波器实现，这两种都包括电阻、电容等线形元件，后者还包括了运算放大器。

无论哪种滤波器都可看作是一个线形系统，其输入信号“。

Ｏ）和输出信号“。

Ｏ）满足下面的微分方程：

’

‰竽～掣＋．．圳Ｍ等也。

学…㈣（２．５）上式中历ｓ刀。

将上式中的微分符号用微分算子ｐ表示，得到输入输出的关系：

咄，＝移薏筹等啪，仁６，

定义系统输出信号和输入信号之比为传输算子，即：

ｍ，＝等畿笔等仁７，

则可得到：

“。

Ｏ）＝，（ｐ弘。

（ｆ）（２．８）

从环路滤波器的时域表达式（２．８）可得环路滤波器的数学模型，如下图所示。

％（ｔ）ｌ广—］扰ｃ（ｔ）

图２．４环路滤波器数学模型

２．１．３压控振荡器的数学模型

一个理想的压控振荡器ｎ８３产生一个周期信号，其振荡频率是压控电压“。

（ｆ）

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学位论文

的线形函数，如图２．５，即：

瓯（ｆ）＝哦＋Ｋ“。

Ｏ）（２．９）上式中％为自由振荡角频率，Ｋ为压控振荡器的“增益＂。

图２．５压控振荡器的定义

从鉴相特性看，压控振荡器的输出信号对鉴