电荷泵锁相环..

CMOS电荷泵锁相环的研究与设计摘要锁相环设计是现代集成电路设计中一个重要的话题，在射频无线通信、高速有线通信、光纤通信以及高性能数字电路等领域中占有重要的地位。

电荷泵锁相环是锁相环应用中最广泛的一种，因为它具有易集成、低功耗、低抖动、低噪声、捕获范围宽等特点。

因此电荷泵锁相环成为IC领域研究中的热点。

本论文首先介绍了锁相环的背景与现状，分析了一般锁相环的组成结构与基本原理并逐步引出电荷泵锁相环，研究了锁相环的非理想特性，并推导了部分组成部分的参数，最终得到锁相环的数理模型。

在此基础上，设计了一个工作在10MHz~100MHz的电荷泵锁相环，包括鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器以及分频器电路模块。

本文鉴相器是由两个RS触发器与一些非门、与非门构成，具有较大的鉴相灵敏度、较小的纹波输出、工作线性区域大和零点漂移小的特点。

电荷泵采用全差分设计，使用了镜像电流源，这样就使电荷泵受温度影响大大减小，同时也稳定了电流的输入。

低通滤波器使用无源二阶滤波器，既降低了制造成本，又避免了极点的产生，提高了电路的稳定性。

本实验的锁相环使用的是电荷泵锁相环基于CSMC0.6um标准CMOS工艺。

仿真结果要求锁相环在5V电源电压下可以在5MHz~120MHz的频率范围内正常工作，占空比为50%±3%，锁定时间小于8μs。

经仿真试验，本设计达到了课题的要求。

关键词：锁相环；鉴频鉴相器；电荷泵；压控振荡器；COMSAbstractPLL design is a modern integrated circuit design is an important topic, occupies an important position in the field of radio frequency wireless communications, high-speed wired communications, optical communications, and high-performance digital circuits and the like . CPPLL is locked loop applications, the most widely used , because it has easy integration, low-power, low-jitter , low -noise , wide capture range of features. Thus IC CPPLL become a hot research field .This paper introduces the background and status of the PLL , followed by analysis of the structure and composition of the basic principles of the general phase-locked loop and gradually leads CPPLL study the non-ideal characteristics of the PLL and derive some parameter components , and ultimately get the PLL mathematical models. On this basis , the design of a work in 10MHz ~ 100MHz charge pump PLL, including phase frequency detector, charge pump , loop filter , VCO and divider circuit modules.This article is some phase NAND gate NAND gate consists of two RS flip-flop having a phase sensitivity of the larger , the smaller the output ripple , and the work of the linear region of the large zero drift characteristics. A fully differential charge pump design, a current mirror , so that the charge pump is reduced greatly affected by temperature , but also the stability of the input current. Second-order low-pass filter using passive filters , not only reduces manufacturing costs, and avoid the extreme generation, but also allows the circuit is very stable.In this study, using a phase-locked loop based TSMC0.35um CPPLL standard CMOS process . The simulation results require phase-locked loop can operate at 3.3V supply voltage in the frequency range of 5MHz ~ 120MHz normal duty cycle of 50% ± 3%, the lock time is less than 8μs. The simulation test, the design meets the requirements of the subject .Key words: low voltage; Low power; CMOS operational amplifier; Rail to rail input目录摘要 (I)Abstract (II)第一章绪论 (5)1.1 锁相环的背景 (5)1.2 锁相环的发展、现状和应用 (5)1.3 论文的章节安排 (7)第二章 CMOS电荷泵锁相环的基本原理及组成 (8)2.1 电荷泵锁相环的基本原理 (8)2.2 CMOS电荷泵锁相环的基本组成 (9)2.2.1 鉴频鉴相器 (9)2.2.2 电荷泵 (10)2.2.3 延时电路 (11)2.2.4 环路滤波器 (12)2.2.5 PFD/CP的非理想效应 (13)2.2.6 压控振荡器 (17)2.2.7 分频器 (17)2.2.8 锁相环的基本性能 (17)2.3 电荷泵锁相环的相位噪声 (18)2.4 本章小结 (19)第三章电荷泵锁相环电路的设计 (20)3.1 电荷泵锁相环电路简介 (20)3.2鉴频鉴相器电路设计与仿真 (20)3.2.1 鉴频鉴相器的 (20)3.2.2仿真波形 (23)3.3 电荷泵和滤波器的设计和仿真 (24)3.3.1电荷泵的设计 (24)3.3.2 环路滤波器的结构 (26)3.3.3 电荷泵和滤波器的仿真 (29)3.4 环路整体仿真 (30)3.5 小节 (31)第四章结论 (32)参考文献 (32)致谢 (33)第一章绪论1.1 锁相环的背景锁相环电路（PLL）是一个能够跟踪输入信号相位的闭环自动控制系统。

电荷泵锁相环的基础研究随着科技的不断发展，各种电子设备如手机、电视、计算机等已成为人们日常生活和工作中不可或缺的工具。

为了满足人们对电子设备性能和功能不断增长的需求，各种先进的信号处理技术和电路设计方法被引入到这些设备中。

其中，电荷泵锁相环（Charge PumpPhase-Locked Loop，简称CP-PLL）是一种非常重要的技术，它在频率合成、相位跟踪和信号恢复等领域有着广泛的应用。

本文将围绕电荷泵锁相环的基础研究展开讨论。

电荷泵锁相环的研究已经经历了数十年的发展历程。

在国内外相关领域的研究中，理论研究和实验研究都取得了重要的进展。

在理论方面，研究人员对电荷泵锁相环的相位检测、环路控制、输出调节等各个组成部分进行了深入的分析和建模，提出了一系列有效的算法和电路设计。

在实验方面，科研人员通过精心设计的实验方案，验证了电荷泵锁相环在各种不同场景下的性能表现。

电荷泵锁相环是一种基于相位检测和环路控制技术的闭环控制系统。

它通过将输入信号与参考信号进行相位比较，产生一个控制电压，用于调节振荡器的频率和相位，从而使输出信号与参考信号保持同步。

相位检测是电荷泵锁相环的核心组成部分，它通过比较输入信号和反馈信号的相位差，产生一个与相位差成正比的电流或电压。

这个电流或电压作为控制信号输入到环路控制器中，用于调节电荷泵的工作状态。

环路控制器通常由一个运算放大器和一个电荷泵组成。

运算放大器将相位检测器的输出信号进行放大，以产生足够的控制电压。

电荷泵则将控制电压转化为电流，用于调节振荡器的频率和相位。

输出调节部分通常由一个低通滤波器和一个振荡器组成。

低通滤波器用于滤除电荷泵产生的交流分量，只保留直流成分，从而使控制电压能够平滑地调节振荡器的频率和相位。

振荡器则产生最终的输出信号，其频率和相位受控制电压调节。

本文采用文献调研和理论分析相结合的方法，对电荷泵锁相环的相关研究进行了深入的研究。

通过查阅相关文献和专利，了解了电荷泵锁相环的国内外研究现状和发展趋势。

电荷泵锁相环的模型研究和电路设计电荷泵锁相环的模型研究和电路设计引言随着现代电子技术的迅猛发展，时钟信号在各类电子设备中扮演着至关重要的角色。

电荷泵锁相环（Charge Pump Phase-Locked Loop，CPPLL）是一种常见的时钟生成和频率合成技术。

它通过控制电荷泵电路中的电荷传输来实现精确的时钟频率控制，广泛应用于通信、计算机等领域。

本文将对电荷泵锁相环的模型研究和电路设计进行详细介绍。

一、电荷泵锁相环的模型研究1. 电荷泵锁相环的基本原理电荷泵锁相环的基本结构由相位比较器、电荷泵、低通滤波器和压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator，VCO）组成。

其工作原理可以简单地分为两个阶段：锁定阶段和跟踪阶段。

在锁定阶段，相位比较器将参考信号和反馈信号进行比较，并产生一个误差信号。

电荷泵根据误差信号的大小和极性来控制电荷传输，通过改变电荷泵的输出电荷来调整反馈信号的相位。

低通滤波器将电荷泵的输出信号滤波为直流电压作为VCO的控制信号，进而调整VCO的频率。

在跟踪阶段，VCO输出的频率已经与参考信号的频率非常接近。

相位比较器仅用于微小的频率校正。

这样就能稳定地生成与参考信号频率相同或相近的时钟信号。

2. 电荷泵锁相环的数学模型为了更好地理解电荷泵锁相环的工作原理，我们需要建立其数学模型。

设参考信号的频率为f_r，VCO输出的频率为f_vco，电荷泵的传输系数为K_cp。

根据反馈原理可得到以下关系式：f_r = f_vco + Δf其中Δf为误差频率，表示参考信号与VCO输出频率的差值。

在锁定阶段，Δf较大，电荷泵通过调整电荷传输来减小Δf，即：Δf = -K_cp * V_cpV_cp为电荷泵的输出电压。

在跟踪阶段，Δf较小，所以按照一阶近似可以得到：Δf ≈ -K_cp * V_cp3. 电荷泵锁相环的性能指标电荷泵锁相环的性能指标主要包括相位噪声和锁定时间两个方面。

基于TSMC90工艺的20GHz电荷泵锁相环设计关键词：电荷泵锁相环，仿真设计，带宽扩展，相位峰值误差，时间抖动1.引言锁相环是一种广泛应用于通信、处理器、放大器等领域的时钟同步电路，它能够在不同电路之间提供准确的时钟信号。

其中，基于电荷泵的锁相环由于拥有高频率、快速锁定时间和可扩展性等特点，在高速数字通信与微波射频应用中得到了广泛的应用。

本文旨在设计一款基于TSMC 90工艺的20GHz电荷泵锁相环，通过仿真分析各模块电路的特性，提出快速锁相和带宽扩展的解决方案，以实现高精度和高速信号同步。

2. 电荷泵锁相环原理电荷泵锁相环由相位检测器、电荷泵、环形振荡器以及反馈回路等基础模块构成。

其中，锁相环的基准时钟信号与被锁定信号经过相位检测器进行相位比较，从而控制电荷泵的输出相位差。

通过反馈回路将该相位差反馈至环形振荡器中，以保持振荡频率与基准时钟频率相同，从而实现相位同步。

3. 电路设计3.1 锁相环结构本文选用传统的电荷泵锁相环结构，接受主反馈环式结构，同时加入带宽扩展电路，提高锁相环的带宽。

3.2 相位检测器差分对抗相位检测器接受差分对抗技术进行优化，利用两个相位检测器输出的信号反向耦合，从而消除相位误差，提高锁相环的相位峰值误差。

仿真结果显示，使用差分对抗相位检测器可以将相位峰值误差降低至0.05°左右。

3.3 电荷泵电荷泵由多级级联的MOS管组成，通过震荡电压产生不同频率的时钟信号。

通过调整电荷泵的频率和相位，与相位检测器的输出信号进行比较，并通过控制开关器件的导通和截止过程，实现输出相位差的控制。

3.4 带宽扩展双极性转导器（BPF）和环带限放大器（LDO）结合，实现针对负载变化的动态增量调整，从而实现锁相环的带宽扩展。

仿真结果表明，加入带宽扩展模块后，锁相环的带宽可提高至455MHz，同步速率更快。

4. 仿真结果本文使用ADS软件对基于TSMC 90工艺的20GHz电荷泵锁相环进行了仿真验证。

摘要电荷泵锁相环(Charge Pump Phase-Locked Loop, CPPLL)是一个可以实现高精度输出时钟的闭环反馈系统，其输出时钟具有高频率、高精度和低抖动等优点，成为现代通信系统不可或缺的一部分。

随着集成电路(Integrated Circuit, IC)工艺技术和封装技术发展，芯片的规模越来越大，尺寸越来越小，对电荷泵锁相环的面积、功耗、抖动等提出了更高的要求。

基于此，本文采用SMIC 0.18μm CMOS工艺设计一种应用于以太网通信芯片中的电荷泵锁相环电路。

主要内容如下：首先，在分析电荷泵锁相环中关键子模块以及系统工作原理的基础上，根据设计指标规划各模块指标参数。

采用Verilog-A代码构建数学模型，通过行为级仿真验证指标规划的合理性。

仿真结果表明，电荷泵锁相环系统的相位裕度为69.8°，环路带宽为1.2MHz，锁定时间为12.8μs。

其次，基于SMIC 0.18μm CMOS工艺，设计了一种为电荷泵锁相环系统提供偏置的带隙基准电路；仿真结果表明，在-40°C~125°C的温度范围内，带隙基准的输出电压为1.2V，温度系数为9.41ppm/°C。

设计了一种为电荷泵锁相环系统提供电源电压的无片外电容线性稳压器电路；仿真结果表明，线性稳压器的输出电压为1.8V，负载调整率为0.12mV/mA，线性调整率为6.8mV/V。

最后，采用改进型的差分输入结构设计了一种能消除“死区效应”的鉴频鉴相器；采用共源共栅电流源、传输门和运放设计了一种低失配电流电荷泵；采用Replica 反馈偏置技术和对称负载差分延迟单元设计了一种低相位噪声的环形压控振荡器；采用D触发器和数字逻辑门设计了一种具备自启动能力的5分频电路。

在此基础上，采用SMIC 0.18μm CMOS工艺设计了一种参考信号频率为25MHz，输出信号频率为125MHz的电荷泵锁相环。

仿真结果表明，鉴频鉴相器的复位延时为313ps，电荷泵电流失配率为2%，压控振荡器的相位噪声为-108dBc/Hz@1MHz；系统锁定时间为13μs，锁定时的控制电压为0.871V，输出时钟抖动为251.4ps。

电荷泵锁相环
电荷泵锁相环是一种采用电荷泵技术控制电压的电路。

它能够控制电压，达到一定的效果，例如，它能够控制电压精度并保持稳定，使得电子系统具有良好的性能。

它可以实现对示波器、ADC和DAC的精确控制，以满足需要。

由于电荷泵锁相环具有电荷泵技术，它可以有效地抵消由于充放电而产生的电压波动，使得输出电压变化更加稳定。

电荷泵锁相环还可以有效抑制因接地干扰而产生的电压波动。

它通过对电荷泵技术的微小调整，能够实现对示波器、ADC和DAC的精确控制，以满足各种应用需求。

电荷泵锁相环的结构比较简单，一般由三部分组成，包括电压参考电路、电荷泵和放大器。

由于电荷泵锁相环结构简单，它可以实现有效的稳定电压控制，同时还具有低功耗、高精度、可靠性高等特点。

在应用中，电荷泵锁相环可以用于改善示波器、ADC和DAC的精确性，以便满足不同类型的工程应用，比如电源、电力电子、模拟信号处理等。

此外，电荷泵锁相环也可以用于LED屏幕的驱动电路，保证LED的稳定显示效果，可以有效抵消晶体管的电压波动，确保LED 显示屏的长期稳定性。

另外，电荷泵锁相环还可以用于LCD屏幕的控制，可以实现高精度的电压控制，以保证LCD屏幕的良好显示效果。

由于电荷泵锁相环具有低功耗、高精度、可靠性高等特点，它也被广泛用于手机、穿戴设备和汽车电子系统中，以满足高精度控制的要求。

综上所述，电荷泵锁相环是一种非常实用的电路控制方案，它能够有效地控制电压，达到一定的效果，因此，电荷泵锁相环被广泛应用于各种电子设备和系统中。