基于反馈控制的高稳定可调节环形振荡器设计

摘要

环形振荡器在射频识别技术、无线传感网络和短距离传输以及测量等邻域应用日益广泛，本文利用环形振荡器易于片上集成，可输出多相时钟的优点，将其用于激光测距成像读出电路系统(ROIC)中并实现时间数字转换功能。然而，环形振荡器输出频率受工艺、温度和电源电压波动影响较大，严重制约TDC的精度，难以满足系统的应用要求。
　　因此本文重点解决环形振荡器在工艺、温度和电源电压波动下频率严重漂移的问题。在简述环形振荡器工作原理基础上，分析阐明环形振荡器对工艺、温度和电源电压波动敏感的原因。基于反馈控制原理，利用频率电压转换电路，将环振输出频率转换为电压，并与基准电压比较，误差放大器输出控制电压用于稳定环形振荡器输出频率，将稳定振荡器输出频率问题转换为设计稳定基准电压和电流问题。该闭环控制结构与锁相环类似，但无需外接晶体振荡器，取而代之的是片上或片外提供的基准电路，将对高频信号频率的控制转换为对直流电压量的控制，大幅降低高频噪声的影响。最后，基于Cadence spectre工具，完成电路和版图设计，前后仿验证，参加MPW流片，完成芯片测试分析。
　　实验结果表明，室温下(27℃)，片上基准电压输出为1.59V，在-40～100℃温度范围内，基准的温度系数为44.75ppm/℃，电源抑制比为30dB@100kHz。振荡器输出频率为154.8MHz，温漂系数约为215ppm/℃。环形振荡器输出受外部直流电压源调制，在三个基准点下的振荡频率分别为132MHz@Vref=2V,145MHz@Vref=1.8V，154MHz@Vref=1.6V。在-40～100℃温度范围内，温度系数均小于215ppm/℃，芯片测试结果一致性良好，表明该振荡器芯片受工艺漂移影响较小，满足ROIC系统要求。对于启动时间较长，需进一步改善。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状与发展趋势

1．3 论文研究内容和设计指标

1．3．1 研究内容

1．3．2 设计指标

1．4 论文的组织结构

第二章 环形振荡器稳定性控制原理

2．1 振荡信号原理

2．2 PVT对环振频率的影响

2．2．1 温度和工艺

2．2．2 电源电压

2．3 ROIC系统对振荡器的要求

2．4 高稳定环形振荡器设计方法

2．4．1 环形振荡器电源噪声抑制技术

2．4．2 环形振荡器低温漂、低工艺漂移控制方法

2．5 闭环反馈环形振荡器系统分析

2．5．1 温度特性

2．5．2 电源噪声抑制

2．5．3 环路小信号模型

2．6 本章小结

第三章 高稳定性环形振荡器电路设计

3．1 电路整体结构

3．2 压控振荡器

3．2．1 延时单元分析

3．2．2 压控振荡器设计

3．3 频率电压转换电路

3．3．1 基本工作原理

3．3．2 性能参数分析

3．3．3 FVC电路的设计

3．4 基准电流源和电压源

3．4．1 基准电压源

3．4．2 两级缓冲基准电压源仿真结果

3．4．3 基准电流源

3．4．4 基准电流源仿真结果

3．5 误差放大器

3．6 本章小结

第四章 版图设计与系统仿真验证

4．1 版图设计

4．2 电路前仿结果与分析

4．2．1 基本性能仿真

4．2．2 温度工艺特性仿真

4．2．3 时钟抖动仿真

4．3 电路后仿结果与分析

4．3．1 基本性能仿真

4．3．2 温度工艺特性仿真

4．3．3 振荡器输出频率漂移定量分析

4．3．3 时钟抖动仿真

4．4 本章小结

第五章 环形振荡器芯片测试

5．1 芯片封装

5．2 PCB设计

5．3 芯片测试

5．3．1 基准电压芯片

5．3．2 环振芯片

5．3．3 振荡频率温度特性

5．3．4 输出频率抖动

5．4 测试总结

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文