用于GPS接收机的全集成锁相环设计

摘要

GPS接收机在当今社会有着广泛的应用，而锁相环是GPS接收机中最为关键的模块之一，它为GPS接收机的混频提供精确的本地振荡信号。锁相环是模拟和射频集成电路设计领域最有挑战的模块之一。本文设计的锁相环采用的是广为流行的电荷泵锁相环，它包含了模拟电路——电荷泵，射频电路——压控振荡器以及数字电路——分频器。 本文基于SMIC 1P6M 0.18um的工艺设计了一款用于GPS接收机的全集成电荷泵锁相环。本文首先研究了电荷泵锁相环的行为级特性，用Matlab建立了锁相环的相位域和电压域模型，用Verilog-A建立了锁相环的电压域模型。在电路图的设计中，电荷泵使用了运算放大器作为误差放大器，运用负反馈结构，使得电荷泵的输出电压在较大范围内变化时，充放电电流的匹配性能非常优越；其次，深入地研究了压控振荡器的噪声模型以及降低相位噪声的技术，设计了一款LC Tank结构的压控振荡器，其调谐范围是1.35GHz～1.5GHz,其增益为139MHz/V，其在600KHz频偏处的相位噪声为-11 8dBc/Hz。最后，设计了一款全集成锁相环，其分频器工作在1.4GHz，分频系数为七十；此外，为今后设计更高频率锁相环作准备，本文研究了工作频率在5GHz以上的分频器，进一步设计了一款工作在5GHz的五分频电路。在设计锁相环的过程中，本文也研究和分析了锁相环的一些现象，如Cycle Slipping，以及压控振荡器输出信号的二次谐波到电压控制端的耦合等。本文完成了电荷泵锁相环电路的版图设计以及后仿真。本文中的锁相环输出三个本地振荡信号，频率分别为1.4GHz、140MHz和31.111MHz，参考源信号的频率为20MHz。锁相环的单位增益带宽为280KHz，锁相环的锁定时间小于10us。整个锁相环的功耗为10mW，杂散为-65.7dBc，距离中心频率1MHz处相位噪声小于-120dBc/Hz。版图的面积大约为600um×700um。

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致谢

1 引言

1.1锁相环概述

1.2本论文完成的工作以及章节结构

2 锁相环的行为级性质与建模

2.1锁相环的基本工作原理

2.2电荷泵锁相环中的基本模块

2.3电荷泵锁相环锁定状态的性质

2.4锁相环的工作频率范围

2.5锁相环相位噪声的分析

2.6锁相环行为级模型的建立

3 频率相位检测器的设计

3.1频率相位检测器的非理想效应引起的杂散

3.2频率相位检测器的电路图设计

3.2.1频率相位检测器中触发器的设计

3.2.2电荷泵电路的设计

3.3频率相位检测器的仿真

4 分频器的设计

4.1分频器的分频策略

4.2分频器结构的比较

4.3分频器电路的仿真

5 压控振荡器的设计

5.1压控振荡器的基本工作原理

5.2压控振荡器的相位噪声

5.3相位噪声降低技术

5.3.1大电容滤波技术

5.3.2二次谐波谐振滤波

5.4压控振荡器的优化

5.5压控振荡器的电路图设计

5.6压控振荡器的性能总结

6 锁相环电路的仿真和版图设计

6.1锁相环电路的仿真

6.2锁相环电路的版图

6.3锁相环电路的后仿

7 总结

参考文献

附录A用于仿真相位噪声的MATLAB程序

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