用于USB2.0中高稳定性480MHz锁相环的分析与设计

摘要

USB2.0接口标准以其可以将设备之间的数据传输速度增加到480Mbps的优势被广泛应用,市面上USB2.0的规格有全速(Full-Speed)和高速(High-Speed),其中高速的理论传输速率就是480Mbps。本文致力于让用户使用的设备稳定高速的传输数据,提出了一个高稳定性的480MHz锁相环(Phase Locked Loop:PLL)的设计和实现,用在USB2.0收发器物理层的部分保证时钟的稳定和精准。
　　本文首先介绍了锁相环的基本理论和结构,重点介绍本论文设计的电荷泵锁相环。主要从构成电荷泵锁相环的模块包括鉴频鉴相器,电荷泵,环路滤波器,压控振荡器和分频器分别介绍它们的原理,电路结构,数学模型和传输函数,并且从系统角度对锁相环进行环路分析,给出开闭环传输函数,零极点分布,频率响应,及其噪声模型。
　　在此基础上本文设计一种高稳定性480MHz的锁相环,按照模块分别给出设计方法,电路实现,然后对所设计的电路进行仿真和分析。文中压控振荡器采用双端控制的四级差分环形压控振荡器,环路滤波器采用二阶无源RC滤波器。另外,本文提出了一种电流可调电荷泵的电路设计。该电路的设计分两个部分,一是电荷泵电流可调部分,另一个是电荷泵开关电路部分。在电流可调电路部分,它通过外部寄存器的配置来调整电流,可以补偿因工艺制造过程中的离散性造成电路参数的偏差,从而保持锁相环的稳定性,以提高产品的成品率。传统的电荷泵电路的电流是固定的,或者通过改变电流镜管子的宽长来改变电荷泵中的电流。如果电荷泵的电流固定,只能通过调节环路滤波器或者VCO来调整锁相环的振荡频率,但是这样整个锁相环的传输函数都会发生大的改变,不利于整个环路稳定性的控制;如果是通过改变电流镜管子的宽长来改变,每次修改需要涉及到版图的修改。
　　本论文中的电荷泵通过控制信号位,实现整数或者小数倍电流,具有极大的灵活程度。在开关电路部分,本文采用“自举”电路结构,通过分析其非理想因素和仿真结果,与其它两种基本单端电荷泵相比较,本文设计的电荷泵有效地解决了电荷共享的问题,使得上拉电流和下拉电流更匹配,从而提高了锁相环的稳定性。为了进一步提高稳定性,本论文在锁相环系统分析的基础上,针对环路滤波器对环路带宽造成影响,通过调整环路滤波器中参数值来对电路进行优化。通过仿真结果的对比,优化锁相环的相位裕度增大,信噪比增大,使得带宽处在让噪声和锁定时间均衡的合理位置,时域上代表频率稳定的V ctrl值更加平稳。本文电路经流片测试后USB2.0High-Speed运行正常,达到了设计要求。

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摘要

ABSTRACT

图表索引

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第一章 绪论

第二章 锁相环的发展和应用背景

2.1 锁相环的发展与应用

2.2 480MHz 锁相环在 USB2.0 通信系统的作用

2.3 本章小结

第三章 锁相环原理和结构

3.1 锁相环简介

3.1.1 锁相环的工作原理

3.1.2 锁相环的分类

3.2 锁相环的组成模块

3.2.1 鉴频鉴相器

3.2.2 电荷泵

3.2.3 环路滤波器

3.2.4 压控振荡器

3.2.5 分频器

3.3 锁相环的主要性能

3.3.1 锁相环的跟踪性能

3.3.2 锁相环的稳定性能

3.4 本章小结

第四章 锁相环的系统分析

4.1 锁相环各个模块的数学模型及传输函数

4.2 电荷泵锁相环系统的传输函数和瞬态响应

4.3 锁相环环路噪声模型的建立与分析

4.4 本章小结

第五章 电荷泵锁相环电路优化设计和仿真

5.1 电荷泵锁相环系统的参数选取及设计方法

5.2 鉴频鉴相器的设计和仿真

5.3 电荷泵的优化设计和仿真

5.3.1 电荷泵电流可调部分的电路设计

5.3.2 电荷泵开关控制部分的电路优化设计

5.3.3 电荷泵电路仿真结果及分析

5.4 环路滤波器的设计和仿真

5.4.1 环路滤波器电路结构设计

5.4.2 环路滤波器电路参数的分析与优化

5.4.3 环路滤波器的仿真

5.5 压控振荡器的设计和仿真

5.5.1 VCO 的整体结构

5.5.2 电压-电流转换电路设计

5.5.3 环形振荡器设计

5.5.4 输出缓冲器的设计

5.5.5 VCO 的整体仿真

5.6 分频器的设计和仿真

5.7 PLL 环路仿真

5.8 本章小结

第六章 锁相环版图设计和测试结果

6.1 版图设计的基本原则

6.2 锁相环的版图设计

6.2.1 整体版图

6.2.2 电流可调电荷泵的版图设计

6.2.3 VCO 单元的版图设计

6.2.4 环路滤波器的版图设计

6.3 测试结果

6.4 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 本文总结

7.2 展望

参考文献

缩略语

致谢

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