锁相环用电荷泵及低通滤波器的研究与设计

摘要

通信技术的发明以及发展为人类的通信生活提供了极大的便利，尤其是近代以来，通信技术尤其是无线通信技术的发展非常迅速，使得通信变得更迅捷更简便。微电子学是人类科学技术发展的基石，微电子技术在近几十年取得了长足地发展，半导体工艺技术不断进步，到今天已经进入了纳米级并还将继续突破。现在，通信用无线接收机的大部分单元电路都采用单芯片结构，使其体积大幅缩小，应用范围日益增广。锁相环是无线通信系统前端的一个重要部件，并且在许多领域具有广泛的应用，如陆地数字电视广播系统。因为电荷泵锁相环频率获取能力强、捕获时间短、理论上可以达到零静态相位误差并拥有无限大的频率牵引范围，所以近年来电荷泵锁相环成为各种通信设备中应用最为广泛的结构。对电荷泵锁相环的工作性能起到决定性作用的组成部分是电荷泵（Charge Pump）和低通滤波器(Low Pass Filter)，这两部分对锁相环环路的相位噪声、锁定周期等都有很大的影响。本论文的目的是为用在陆地数字电视广播系统中的电荷泵锁相环设计性能优良的电荷泵和低通滤波器，需要达到低功耗，小面积的设计要求。
　　 本文首先介绍的是电荷泵锁相环的系统构成以及基本工作原理，并简单介绍了环路中各模块的工作原理。系统分析了电荷泵锁相环中电荷泵和低通滤波器这两个重要模块的电路结构、工作原理以及主要作用；深入分析了电荷泵、低通滤波器的性能参数对锁相环整体性能的影响。
　　 电荷泵的主要功能是将锁相环前端鉴频鉴相器（Phase-Frequency Detector）所输出的数字信号转换成连续的模拟信号，本信号通过低通滤波器过滤后作为压控振荡器（V oltageControlled Oscillator）振荡频率的控制信号。本文首先介绍了电荷泵的工作原理，分析比较了各种类型的电荷泵结构，并对电荷泵电路的非理想因素进行了详细的计算分析。本设计将电荷泵的充放电电流源设计成可调节共源共栅结构，抑制电流失配。从本设计电荷泵电路的仿真结果可以看出，输出电压非常稳定，没有电压跳变，充电电流和放电电流基本处处相等。该设计结构简单、速度快、功耗低，符合专用集成电路设计的要求。
　　 低通滤波器在很大程度上决定了锁相环的工作性能，是锁相环的重要组成部分。本文介绍了低通滤波器的基本工作原理并且分析比较了各种类型的低通滤波器。低通滤波器的主要功能是过滤环路噪声、优化环路带宽并且为压控振荡器提供稳定的控制信号。对简单的一阶低通滤波器，无源比例积分滤波器、有源比例积分滤波器以及二阶无源低通滤波器的工作性能进行分析和比较，最终选用了的二阶无源低通滤波器。对此结构进行仿真测试，主要工作参数（截止频率、相位裕度）满足设计要求。这种电路结构能很好的滤除环路中的噪声，优化环路带宽并且能够给压控振荡器提供稳定的控制信号，同时满足低功耗、小面积的设计要求。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

第二章电荷泵的基本结构及其原理分析

第三章电荷泵电路的设计及其仿真

第四章低通滤波器的原理结构以及电路的仿真

第五章版图设计

第六章结束语

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文