一种采用锁相环技术的27MCMOS频率合成器设计

摘要

在现代无线通信系统中,频率合成器是无线收发机中的核心模块,他性能的好坏直接影响着整个无线通信系统的通信质量。而电荷泵锁相环技术因其频率捕捉范围大、锁定时的相位误差小和低功耗、低成本等优点而被广泛应用于锁相环频率合成器中。
　　 文章首先从系统的角度分析了电荷泵锁相环频率合成器的工作原理、数学模型、瞬态特性、稳定条件以及噪声传输函数,并讨论了锁相环环路带宽的优化和选择。接着详细地介绍了电荷泵锁相环频率合成器中各组成单元模块的性能要求,并对各模块常用电路结构的特点进行了比较。最后针对应用于业余频段的无线通信装置,综合考虑功耗、成本、噪声等因素,优化设计了一款输出频率是27M的电荷泵锁相环频率合成器,并实现所有元器件在一块芯片上的集成。电路主要包括晶体振荡器、鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器以及分频器等模块。同时,为了降低电源噪声对电路性能的影响,设计了三个LDO电源管理模块给电路供电。
　　 整个设计过程采用无锡上华公司0.5um CMOS混合信号工艺,运用cadence公司提供的Virtuoso工具进行版图设计,并对版图进行DRC、LVS检查,以及寄生参数的提取和后仿真。芯片的整体面积为850um×1000um。仿真结果显示,在电源上电以后,电源管理模块LDO在20uS以后能够建立稳定的输出电压给电路供电;晶体振荡器需要2.3mS的时间才能建立稳定的振荡;而锁相环将在这之后的45uS内锁定。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.1.1 频率合成技术简介

1.1.2 27M无线通信

1.2 锁相环频率合成器

1.2.1 锁相环的分类

1.2.2 锁相环频率合成器在无线通信系统中的应用

1.2.3 工艺的选择

1.3 论文研究内容及安排

1.3.1 选题意义

1.3.2 论文结构

第2章 锁相环频率合成器的基本理论

2.1 频率合成器的性能指标

2.1.1 输出频率范围和中心频率

2.1.2 输出频率的精度

2.1.3 输出频率的准确度和稳定度

2.1.4 频率的转换时间

2.1.5 频谱的纯度

2.1.6 功耗和成本

2.2 锁相坏频率合成器的基本原理

2.3 电荷泵锁相环频率合成器的数学模型

2.3.1 线性模型

2.3.2 离散模型

2.4 锁相环频率合成器的瞬态特性以及稳定性

2.4.1 频率合成器的瞬态特性

2.4.2 频率合成器的稳定性讨论

2.5 锁相环频率合成器的噪声分析

2.5.1 噪声源

2.5.2 锁相环的噪声传输特性

第3章 锁相环频率合成器设计

3.1 鉴频鉴相器

3.1.1 鉴频鉴相器的性能指标

3.1.2 鉴频鉴相器常用电路结构分析与对比

3.1.3 鉴频鉴相器的设计和仿真

3.2 电荷泵

3.2.1 电荷泵的非理想性

3.2.2 电荷泵常用电路结构分析与对比

3.2.3 电荷泵的设计和仿真

3.3 压控振荡器

3.3.1 压控振荡器的性能指标

3.3.2 环形压控振荡器电路结构分析与对比

3.3.3 压控振荡器的设计和仿真

3.4 石英晶体振荡器

3.4.1 石英晶体的性能

3.4.2 石英晶体振荡器电路结构分析与比较

3.4.3 石英晶体振荡器的设计和仿真

3.5 分频器

3.6 环路滤波器

3.6.1 二阶无源滤波器

3.6.2 三阶无源滤波器

3.6.3 环路滤波器的设计

第4章 电源管理模块

4.1 LDO的基本理论

4.1.1 LDO的工作原理

4.1.2 LDO的性能指标

4.2 LDO的稳定性和频率补偿

4.2.1 LDO的稳定性分析

4.2.2 LDO的频率补偿

4.3 LDO子模块设计

4.3.1 带隙基准电压源

4.3.2 基准电流源

4.3.3 误差放大器

4.4 LDO整体模块的仿真

4.4.1 LDO1的仿真结果

4.4.2 LDO2的仿真结果

4.4.3 LDO3的仿真结果

第5章 版图设计和系统仿真

5.1 版图设计的流程

5.2 版图设计要考虑的问题

5.3 电荷泵锁相环频率合成器版图设计

5.3.1 鉴频鉴相器版图

5.3.2 电荷泵和环路滤波器版图

5.3.3 压控振荡器版图

5.3.4 晶体振荡器版图

5.3.5 分频器版图

5.3.6 电源管理模块版图

5.3.7 完整的版图

5.4 系统仿真

5.5 系统后仿

结论

参考文献

致谢

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