电荷泵锁相环系统级功耗估计

基于CMOS工艺的电荷泵锁相环的设计的开题报告一、选题背景电荷泵锁相环（Charge Pump Phase-Locked Loop, CPPLL）是一种广泛应用于高速数据传输和数字通信领域的时钟同步电路。

CPPLL可以将参考时钟信号转换成锁定时钟信号，同时实现锁相输出和频率除法倍增功能。

因此，CPPLL在高速串行传输标准中被广泛使用，如USB、PCI Express和SATA等。

CMOS工艺是当今集成电路制造中最广泛采用的工艺，其制造成本低、可靠性高等优点使其成为了各种集成电路、微电子器件的主要工艺之一。

针对高速串行传输的应用，基于CMOS工艺的CPPLL设计具有成本低廉、性能高等优点，因此备受关注。

二、选题意义随着高速串行传输市场的不断扩大，对高速时钟同步电路的需求也不断增加。

CPPLL作为一种高速时钟同步电路，具有锁相输出和频率除法倍增等功能，广泛应用于高速串行传输标准中。

基于CMOS工艺的CPPLL设计不仅具有成本低廉的优势，而且可以实现集成化，因此在高速串行传输领域有着重要的应用价值。

三、研究内容及步骤本研究的主要内容为基于CMOS工艺的CPPLL设计，包括电荷泵、锁相环、倍频器等模块的设计。

研究步骤如下：1.研究CPPLL的基本原理和工作机理。

2.设计半导体工艺参数、电源电压等电路参数。

3.设计电荷泵电路，选择合适的电荷泵模型，并优化电荷泵性能参数。

4.设计PLL反馈环路，实现输入信号和输出信号的同步，并解决电路噪声干扰等问题。

5.设计倍频器模块，实现频率的倍增。

6.进行电路仿真和优化，将电路性能达到最佳。

7.进行电路实现和测试，验证电路的性能和可靠性。

四、预期成果本研究预期最终实现一个基于CMOS工艺的CPPLL电路，具有较高的工作性能和稳定性。

具体的预期成果如下：1.设计出符合高速串行传输标准要求的CPPLL电路。

2.优化电路性能，使其具有较高的输出频率和较低的相位噪声。

3.实现电路的自适应调整，提高电路的波动性能和稳定性。

《【锁相环中电荷泵的研究】电荷泵锁相环》[摘要]锁相环的运用已经越来越广泛，从时钟产生器到无线通信到有线通信，光通信等等。

在实际应用中，很多工程师都倾向于使用电荷泵型锁相环。

因为它更容易实现尽可能大的或者无限开环增益。

这样，电荷泵在该种结构中将充当非常重要的角色，其中的不理想性将会对整个系统的性能，比如时钟抖动，相位噪声，锁定时间，带宽，功耗等的设计带来挑战。

本文将就以上问题进行详细的分析和研究。

最后本文提出了一种改善性能的增益提高技术电荷泵。

[关键词]锁相环电荷泵相位噪声抖动[中图分类号]tn4[文献标识码]a[文章编号]1007-9416（xx）03-0127-02引言基于电荷泵型的锁相环已经被广泛采用与无线通信系统中，特别是射频收发机的频率综合器中。

随着无线通信不断地发展，通信系统对终端的要求不断地提高，诸如集成度，功耗，噪声等等。

而在无线收发机中，频率综合器是一个非常关键的部分，它的性能将影响整个系统是否能够正常工作。

作为基于电荷泵的频率综合器，电荷泵在其中起着非常关键的作用。

本文接下来几个部分将对电荷泵做一详细全面的研究。

1设计中的不理想性一般的电荷泵型锁相环如图1所示[1]。

理想情况下，电荷泵和鉴频鉴相器为系统提供了无限的直流增益，于是输入和输出的相位差为0。

但是，作为电荷泵，其本身存在很多固有的不理想性，致使实际的频率综合器会有很多不理想效应产生，从而导致性能的降低。

因此，下面将对其中重要的不理想效应进行研究和分析。

1.1漏电流漏电流是电荷泵固有的不理想性，或者说是和完全和工艺相关的。

随着工艺的不断改进，特别是深亚微米级的cmos工艺，漏电流的问题变得越来越严重。

因为漏电流而导致的相位失配相对来说问题不大，但是由此而产生的参考毛刺在频率综合器中是值得特别注意的。

由于漏电流造成的相位失配可以有下式得出[2]，其中是相位失配，是漏电流大小，表示电荷泵的电流大小。

由于相位失配所导致的边带，也就是参考毛刺的大小为：其中，为环路滤波器的极点，是环路滤波器的电阻值，是压控振荡器的增益。

CMOS电荷泵锁相环的研究与设计的开题报告一、选题背景随着信息技术的迅猛发展，锁相环（PLL）已经成为了其中一个关键的技术，并广泛应用于通信、测量、控制等许多领域。

锁相环是一种基于反馈控制的电路，具有频率稳定、相位稳定等优点，能够对输入信号进行频率合成、频率分割、时钟恢复等操作。

在锁相环中，电荷泵是其中一个重要的模块，其作用是将相位比较器的输出相位误差转化成电荷泵电流，从而实现同步振荡。

随着制程技术的发展，CMOS工艺已经成为了最为常用的集成电路制造工艺，因此CMOS电荷泵的研究和设计也变得尤为重要。

二、研究目的本文的研究目的是通过对CMOS电荷泵锁相环的研究和设计，实现高性能、低功耗、小面积的电路设计，并探究其在PLL中的应用。

三、研究内容1. CMOS电荷泵的基本结构及工作原理。

2. PLL的基本原理及其各模块的设计（比如：相位比较器、环路滤波器、VCO等）。

3. CMOS电荷泵的设计方法和设计流程，包括各个环节的参数设计和优化。

4. CMOS电荷泵的性能参数分析与优化。

5. 最后，进行仿真验证，通过比较实验结果，评价该CMOS电荷泵的性能，验证其在PLL中应用的可行性。

四、研究意义本研究对于进一步推进锁相环技术的发展，促进了CMOS电路设计的研究和应用，提高了电路的性能指标以及系统的可靠性和稳定性，具有重要的理论和实际意义。

五、研究方法1.阅读相关的文献，对CMOS电荷泵、PLL等相关知识进行深入学习。

2.在了解了电路的工作原理后，根据其原理分析其关键性能参数，对传输线、晶体管、电容等元件进行参数设计和优化。

3.使用Cadence等相关软件进行电路仿真，评估各个模块的性能，寻找最佳设计方案。

4.使用TSMC0.18um CMOS工艺，进行电路的物理设计和版图布图。

5.最后，通过实验验证电路的性能指标，检验其在PLL中的应用效果。

六、预期成果1.完成CMOS电荷泵锁相环的设计，实现低功耗、高性能、小面积的电路结构。

一种应用于CMOS锁相环的电荷泵设计简元凯;解光军;毛佳佳【摘要】电荷泵是CMOS锁相环中的一个重要模块，其性能决定了整个锁相环系统的工作稳定性和各项指标的优劣.针对传统结构电荷泵存在的电荷共享、电流失配等问题，文章设计了一个基准电压源的电荷泵电路，外接一个2pF的负载电容，用于将电流转化为电压.该电路基于SMIC0.13μmCMOS工艺库，使用Cadence完成整体电路的仿真.仿真结果表明，该CMOS电荷泵具有输出电压平滑、充放电电流匹配等优良特性，很好地抑制了电荷共享、电流失配等寄生效应.该电荷泵应用在锁相环中，能实现快速锁定.%10.3969/j.issn.1003-5060.2012.11.016【期刊名称】《合肥工业大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(000)011【总页数】4页(P1506-1509)【关键词】电荷泵;电荷共享;电流失配;锁相环;锁定时间;电路仿真【作者】简元凯;解光军;毛佳佳【作者单位】合肥工业大学电子科学与应用物理学院,安徽合肥 230009;合肥工业大学电子科学与应用物理学院,安徽合肥 230009;合肥工业大学电子科学与应用物理学院,安徽合肥 230009【正文语种】中文【中图分类】TN432锁相环（Phase－Locking Loop）在电子学、通信领域中有着广泛的应用，一般用在相位锁定、频率合成以及时钟恢复电路中。

随着人们对CMOS工艺研究的不断深入，器件的特征尺寸不断缩小，因而高速度、高频率和低功耗已成为锁相环电路的发展方向。

一个基本CMOS电荷泵锁相环主要包括鉴频鉴相器（PFD）、电荷泵（CP）、低通滤波器（LPF）和压控振荡器（VCO）［1］。

电荷泵是CMOS锁相环中的重要模块，其作用是把PFD输出的数字信号转化为电压信号，以控制压控振荡器（VCO）的振荡频率。

在锁相环实现过程中，通常会遇到电荷共享、电流失配、电荷注入以及时钟馈通等问题。

超高频RFID阅读器电荷泵锁相环设计锁相环是在模拟/数字电路设计中的一种非常重要和实用的电路结构[1]。

锁相环[2-3]由鉴频鉴相器、电荷泵、滤波器、压控振荡器以及分频器等构成，在具体电路设计中还可能涉及到基准(PTAT)电路和一些简单的数字电路。

由于锁相环正常工作时能通过内部电路中精准的负反馈机制提供稳定的输出频率作为本振信号，因此，该结构广泛应用于数字及模拟电路设计之中。

1 电荷泵锁相环电路设计1.1 电荷泵锁相环原理与整体结构图1所示为电荷泵锁相环[4]的系统结构图。

620)this.style.width=620;" border=0 alt=超高频RFID阅读器电荷泵锁相环设计src="技术2021/ddk0lludrsi2021.gif"> 锁相环系统的基本原理为：最初外部参考信号与分频器输出信号同时输入给系统，送入鉴频鉴相器;鉴频鉴相器检测ωout与ωin两路信号的相位差和频率差以及上升沿和下降沿，并随时根据它们的上升、下降变化决定电荷泵的开启和关断状态;电荷泵的输出电压Ud经过滤波器滤波，产生输出电压Vctrl，Vctrl作用在压控振荡器上，产生输出频率;压控振荡器的作用是使输出频率随输入控制电压的变化按照一定比例变化，分频比为N的分频器保证：fvco=fref×N，其中fvco为VCO的输出频率，fref为参考频率。

锁相环内部负反馈机制使整个系统达到锁定状态。

620)this.style.width=620;" border=0 alt=超高频RFID阅读器电荷泵锁相环设计src="技术2021/5ojmqpg2zol2021.gif"> 出信号被送入鉴频鉴相器，初始相位差使环路无法锁定，经过一段时间的相位积累就能达到频率捕获。

针对死区问题，本设计所采用的去死区的方法是增加延时单元，延时单元应用串联连接的反相器链。

一种快速锁定电荷泵锁相环的设计
自从上个世纪30年代锁相环理论被提出来以后，锁相环在电子和通讯等领域得到了迅速而广泛的应用。

在数模混合系统中，锁相环是最基本的模块之一，它们被用来进行时钟和数据恢复，解调或者频率合成。

本文设计了一个快速锁定的电荷泵锁相环电路，可以作为800MHz和640MHz时钟发生器，用作单片机等的基准时钟信号的产生模块。

对于传统的电荷泵锁相环，环路带宽
ω_c的选择需要在锁定时间和输出相位噪声之间进行折衷，为了最小化输出噪声抖动，锁相环的环路带宽应当尽可能小，但减小环路带宽会增加锁定时间，为了获得最好的跟踪和捕获特性，环路带宽应尽可能的大。

为了得到快速锁定的锁相环同时满足好的噪声性能，通常采用双斜率鉴频鉴相器，它包含一个用于细调的PFD和一个用于粗调的锁定检测器。

本文所采用的结构能够有效地减小锁定时间，同时环路的稳定性没有改变。

本文设计的锁相环采用SMIC
0.18um CMOS工艺，工作电源电压为3.3V。

使用Mentor公司的射频电路仿真工具EldoRF进行电路仿真。

仿真结果表明，改进的锁相环的锁定时间小于
1.2us，比普通的锁相环的锁定时间减小了很多。

工作在800MHz频率下时，整个锁相环的功耗是21mW。

本文分析和总结了锁相环系统的设计理论，并对电路中的各个子模块做了优化。

文中给出了一个带差分控制的三级环形压控振荡器，该压控振荡器的调谐范围为560MHz到1020MHz，相位噪声在1MHz频偏时为-101.2dBc／Hz，功耗为16.8mW。

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。

一种低功耗射频CMOS电荷泵锁相环的设计刘忠来【摘要】CMOS电荷泵锁相环的应用越来越广泛,这也加强了人们该内容的研究与分析.过去,受各方面技术原因的限制,CMOS电荷泵锁相环在具体应用过程中的能量消耗较大,这对其应用造成了一定的不良影响,而近几年随着各项技术的逐渐成熟,人们加强了对低功耗射频CMOS电荷泵锁相环设计的研究,从而满足低功耗、快速锁定要求.目前,人们在该项内容的研究上已经取得了一定的成绩,但是与期望的标准还存在一定差距.文章研究了一种低功耗射频CMOS电荷泵锁相环的设计.【期刊名称】《无线互联科技》【年(卷),期】2017(000)023【总页数】2页(P115-116)【关键词】CMOS;电荷泵;锁相环【作者】刘忠来【作者单位】美光半导体(上海)有限责任公司,上海200233【正文语种】中文低功率射频通常会通过低电源电压的方式实现，但是从实际设计情况来看，电压通常都会受到工作频率的限制。

此外，也会对电源和地之间提供的尾电流的偏置电路的级联级数造成限制。

而随着科学技术的不断发展，人们对锁相环提出了更高的要求，尽量降低其在具体运行过程中的能源消耗，尽量占较小的芯片面积，确保其应用的合理性，这是人们未来研究的主要方向。

电荷泵也被称作开关式电容变换器，是在具体运行过程中，通过快速或泵送电容的方式完成相应储能的一种变换器。

该变换器的应用十分广泛，长期以来人们都没有停止对其的研究，并且取得了不错的成果。

利用电荷泵可以使输入的电压降低或升高，同时对该装置进行应用，也可以形成复压。

电荷泵在过去10年里得到了广泛的应用，其输出效率和输出功率都得到了一定程度发展[1]。

锁相环及时实现对相位环路的锁定，其是一种典型的反馈控制电路，通过对外部输入的参考信号的应用，对环路内部震动信号的相位和频率进行合理控制，从而实现对输出信号频率以及输入信号频率的自动跟踪，该项跟踪是自动进行的，并不需要人为控制，通常来说，其主要应用在闭环跟踪电路。

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电荷泵锁相环（Charge Pump Phase-Locked Loop，简称CPPLL）是一种常见的时钟和数据恢复电路，在通信系统、数字信号处理和时钟同步等领域中得到广泛应用。

CPPLL通过频率合成技术，从输入信号中恢复出稳定的输出时钟信号，以及实现数据的同步。

本文将对CPPLL的模型研究和电路设计进行详细探讨。

一、CPPLL的模型研究1.1 基本原理CPPLL主要由锁相环（Phase-Locked Loop，简称PLL）和电荷泵（Charge Pump，简称CP）两部分组成，其中PLL为反馈控制系统，CP为频率合成电路。

在正常工作状态下，PLL将输入参考信号与VCO输出信号进行比较，通过反馈调整VCO的频率，使其与输入信号保持同步。

CP则将比较器输出的误差信号转换为电荷，供给VCO控制电压，进一步调整频率。

1.2 CP的建模为了实现对CP的性能分析和优化设计，需要建立准确的数学模型。

根据CP的工作原理和电流输送特性，可将CP抽象为阻值为R的电流源、电容为C的电容器以及倍增系数为g的放大器。

由此，CP的数学模型可以表示为：Icp = g(Vref - Vosc)其中，Icp为CP输出电流，Vref为参考电压，Vosc为VCO的控制电压。

1.3 PLL的建模PLL是一个典型的反馈系统，可以通过模型进行性能分析。

通常，PLL的模型分为开环模型和闭环模型。

开环模型将环路中的各个部分分离开来，主要包括VCO、相位检测器（Phase Detector，简称PD）和低通滤波器（LPF）。

闭环模型则将这些部分结合在一起，形成一个完整的反馈系统。

对于频率合成功能，主要关注闭环模型。

在闭环模型中，可以得到PLL的传输函数，进一步分析系统的带宽、稳定性等性能指标。

二、CPPLL的电路设计2.1 VCO设计VCO是CPPLL中至关重要的一部分，其频率范围和调节范围决定了CPPLL的性能。

CMOS电荷泵锁相环的设计及相位噪声的研究的开题报告一、研究背景随着现代通信技术的发展，锁相环（PLL）已经成为一个非常重要的电路模块，其被广泛应用于频率合成、时钟恢复、调制解调器、数字信号处理器、雷达和移动通信系统等领域。

由于基于CMOS工艺的PLL电路具有功耗低、集成度高等优点，因此被广泛应用于大规模集成电路（LSI）的设计中。

本文就着重研究CMOS电荷泵锁相环的设计及相位噪声的研究。

二、研究目的本文旨在深入研究CMOS电荷泵锁相环的设计原理和具体实现方法，并结合实际操作过程中的应用需求，分析其关键性能指标之一——相位噪声的影响因素及其降低方法，为CMOS电荷泵锁相环的实际应用提供理论支持和技术指导。

三、研究内容1. CMOS电荷泵锁相环的结构及工作原理分析2. 锁相环的性能参数之一——相位噪声的定义及其影响因素分析3. 相位噪声降低方法研究：使用PLL建模工具对关键电路参数进行优化，使用滤波器和补偿电路等技术手段对电路进行优化设计4. 实验验证及仿真分析四、预期成果1. 实现一个性能优良的CMOS电荷泵锁相环电路2. 通过实验验证和仿真分析证明优化设计后电路的性能稳定和可靠，并达到较低的相位噪声3. 发表高质量的学术论文五、研究方法1. 文献资料收集和分析，了解近期研究成果及技术发展趋势2. 基于工业标准设计PLL系统，使用Cadence软件仿真验证设计的正确性和鲁棒性3. 借助现代高性能仪器对实验结果进行验证，并对实验数据进行统计分析六、进度计划1. 研究现有文献资料和相关技术基础：2周2. 设计并实现电路原型，进行仿真和验证：4周3. 对实验结果进行数据整理和分析，编写学术论文：4周。

锁相环用新型全差分CMOS电荷泵设计的开题报告1.研究背景现代电子系统中，尤其是在无线通讯、数字信号处理等领域，时钟信号是最为关键的信号之一。

时钟信号的质量会直接影响整个系统的性能。

为了保证时钟信号的质量，在数字电路中，一种常见的技术是使用锁相环。

锁相环是一种非线性控制系统，用于在输出信号和参考信号之间建立稳定的相位关系。

锁相环广泛应用于振荡、时钟信号锁定、信号发生、采样时钟发生等领域。

在锁相环中，电荷泵是非常关键的一部分。

电荷泵是用于从一个电压转换成另一个电压的电路，通常通过将电容器充电和放电的方式实现。

在锁相环中，电荷泵用于产生一个相位差信号，并将其输入到相位比较器中。

由于传统的电荷泵设计方法存在一些问题，例如功耗较高、噪声较大、失调等问题，因此需要使用新型电荷泵设计方法来改善这些问题。

新型电荷泵设计中，全差分CMOS电荷泵被认为是一种非常有前途的设计方法。

与传统的电荷泵设计相比，全差分CMOS电荷泵具有许多优势，例如功耗更低、噪声更小、偏差更小等。

因此，本文将研究锁相环中使用新型全差分CMOS电荷泵的设计方法。

2.研究目的和意义本文旨在研究锁相环中使用新型全差分CMOS电荷泵的设计方法，以改善传统电荷泵设计中存在的问题，并提高锁相环性能。

具体而言，本文的研究目的包括以下几点：（1）研究锁相环的基本原理和电荷泵的工作原理。

（2）设计一种新型全差分CMOS电荷泵，并与传统电荷泵进行比较分析。

（3）研究新型全差分CMOS电荷泵的性能和特点，并验证其在锁相环中的应用价值。

通过本文的研究，可以得出以下几个方面的意义：（1）改善传统电荷泵设计中存在的问题，提高锁相环的性能。

（2）探索并验证新型全差分CMOS电荷泵在锁相环中的应用价值，为锁相环的设计提供新思路和新方法。

（3）在电路设计领域积累一定的经验和能力，提高自身技能水平。

3.研究内容和方法本文研究的主要内容为锁相环中使用新型全差分CMOS电荷泵的设计方法。