基于全差分环形振荡器的电荷泵锁相环设计

摘要

随着集成电路发展，集成电路已经广泛应用于便携电子设备、计算机、数字电视、通信、卫星、航空航天和遥控遥测等领域。作为集成电路尤其是数模混合电路的时钟提供源，频率合成技术越来越重要。锁相环频率综合技术因为其电路简单并具有优良性能使得其发展非常迅速，这种方法产生的频率具有稳定性好，杂散抑制强，噪声抑制性能好。本文的目的是设计出图像传感器中锁相环频率综合电路。
　　本文首先分析了电荷泵锁相环的基本原理、拓扑结构以及它的线性模型，在此基础上分析了系统的开环特性、闭环特性、锁定性能和稳定性能。为了抑制各个模块噪声对频率输出的影响，抑制锁相环系统的相位噪声，本文同时分析了系统的噪声传递特性。这部分工作在设定参数和优化性能等方面具有非常好的指导意义。紧接着文章对锁相环的各个模块进行了选型分析，综合考虑各个模块的非理性因素，设计出符合性能指标的模块电路并通过仿真验证。其中着重设计了一种差分结构的环形压控振荡器，该振荡器采用了对称负载延时单元结构和自偏置电路结构，能够提高环形振荡器电源噪声、共模噪声和相位噪声的抑制性能。通过采用缓冲器电路，振荡器延时单元的差分输出波形转换为占空比为50％的方波时钟。经仿真验证可知环形压控振荡器满足输出频率和噪声要求，能应用于本文锁相环系统。在模块电路完成后，本文对锁相环电路进行了整体仿真验证，包括：使用matlab验证系统模型的稳定性；使用spectre工具仿真验证锁相环系统的捕获性能；建立噪声模型验证相位噪声和时钟抖动性能等。仿真结果表明：锁相环的满足100M~500MHz的输出频率范围；各个工作频率下锁定时间均小于20us；输出频率相位噪声大小为-113MHz@10MHz；RMS Jitter要小于2％时钟周期。设计的电荷泵锁相环能在要求频率内范围快速锁定，稳定地工作，符合图像传感器频率综合器要求。最后，对锁相环版图设计方案和要点进行阐述。所设计的锁相环电路采用SMIC0.18μm CMOS进行电路和版图设计，并准备应用于图像传感器中进行流片。

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第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 本文研究内容

1.3 论文章节安排

第2章 锁相环基本原理

2.1 锁相环的基本原理

2.2 电荷泵锁相环模型

2.3 电荷泵锁相环线性分析

2.4 系统环路参数设计

2.5 本章小结

第3章 锁相环噪声优化

3.1 相位噪声和抖动基本概念

3.2 锁相环系统噪声分析

3.3 锁相环环路噪声优化

3.4 本章小结

第4章 低噪声压控振荡器设计

4.1 环形振荡器原理

4.2 四级环形振荡器结构

4.4 压控振荡器仿真验证

4.5 本章小结

第5章 关键电路设计与仿真验证

5.1 鉴频鉴相器的设计

5.2 电荷泵电路设计

5.3 环路滤波器设计

5.4 分频器设计

5.5 基准电流源设计

5.6 本章小结

第6章 锁相环仿真与版图规划

6.1 环路稳定性验证

6.2 输出频率和锁定性能

6.3 相位噪声和抖动仿真

6.4 版图规划设计

6.5 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

致谢

附录A 个人简历

附录B 在校期间发表的学术论文及研究成果