锁相环中低电流失配电荷泵的设计

提出了一种应用于低供电电压低相位噪声锁相环系统的低电流失配的电荷泵电路。仿真结果表明,输出电压0．4V～1．3V范围内。电荷泵上下电流失配小于1％,满足低供电电压锁相环系统对电荷泵的要求。电路采用中芯国际0．18μm标准数字工艺参数仿真。     

一种应用于射频接收机的电流舵电荷泵设计

电荷泵锁相环(charge pump phase-locked loop, CPPLL)作为频率合成器(frequency synthesizer, FS),广泛应用于接收机中来提供低杂散、低噪声、高频谱纯度的本振(local oscillator, LO)信号。电荷泵(charge pump, CP)作为关键模块之一,其存在的非理想效应以及失配会带来更高相位噪声影响锁相环(phase-locked loop, PLL)频率综合器输出本振的频谱纯度。基于台积电(Taiwan semiconductor manufacturing company,TSMC ) 0.18 μm CMOS工艺,采用电流舵电荷泵结构并加入泄漏电流模块设计了一款低电流失配率、低相位噪声的电荷泵电路,较好地克服了传统电荷泵所存在的非理想效应,使整个电荷泵电路的相位噪声保持在较低的水平。利用Cadence Spectre对电荷泵的整体性能进行仿真。仿真结果表明,供电电压为1.8 V时,电荷泵电流为31.71 μA,最大相位噪声为-230 dBc/Hz,在0.4~1.4 V输出电压范围内最大电流失配率仅有0.22%。     

电荷泵对小数分频锁相环相位噪声的影响

与整数分频电荷泵锁相环不同,小数分频电荷泵锁相环中电荷泵对锁相环的性能有更大的影响,电荷泵的各种非理想因素将降低PLL输出相位噪声和杂散的性能.重点分析了电荷泵两种非理想因素对小数分频锁相环相位噪声和杂散的影响:非线性和电流失调.此外还分析了电荷泵电流源噪声对小数分频锁相环的影响,分析结果为优化电荷泵的电路设计提供理论依据.     

分数N频率综合器的杂散分析

杂散是影响分数N频率综合器性能的重要指标。针对传统无补偿频率综合器和采用ΣΔ调制技术的分数N频率综合器的杂散输出进行理论分析。在传统无补偿频率综合器的分析中引入附加相移满足锁定条件,同时采用新的分析方法使得各杂散分量更加明显。在对于ΣΔ调制技术的频率综合器,通过线性分析指明带宽选取与残留相差及高频端噪声抑制能力间的关系,并用时域模型给出环路非线性如鉴相鉴频器的死区和电荷泵充放电电流的失配使得频率综合器带内输出噪声频谱恶化30dB。     

宽带Σ-Δ锁相环路的相位噪声抵消技术

根据传统的小数分频锁相环中的采样保持方案,提出了宽带Σ-Δ锁相环中采样保持技术的实现方案.方案的采样时刻由首先出现的参考时钟信号或分频器信号的上升沿决定,可以在采样前为补偿电流和电荷泵电流提供足够的时间以保证它们在积分器上的完全积分,从而解决了使用相位内插的Σ-Δ锁相环中电荷泵电流脉冲与补偿电流脉冲间的匹配问题.仿真结果表明,使用采样保持单元后可以显著降低环路中的相位噪声和杂散噪声.     

宽带∑-△锁相环路的相位噪声抵消技术

根据传统的小数分频锁相环中的采样保持方案，提出了宽带∑-△锁相环中采样保持技术的实现方案．方案的采样时刻由首先出现的参考时钟信号或分频器信号的上升沿决定，可以在采样前为补偿电流和电荷泵电流提供足够的时间以保证它们在积分器上的完全积分，从而解决了使用相位内插的∑-△锁相环中电荷泵电流脉冲与补偿电流脉冲间的匹配问题．仿真结果表明，使用采样保持单元后可以显著降低环路中的相位噪声和杂散噪声．     

高阶有源锁相环路滤波器的设计与仿真

基于频率响应的设计方法,本文对四阶电荷泵锁相环滤波器进行了设计和仿真,利用时间常数与滤波器组件的关系,推导和分析了环路滤波器的传递函数,并在Matlab环境下仿真得到了理想的相位裕度和环路带宽.实验表明,该高阶有源锁相环路滤波器可以在保证相同的鉴相杂散抑制的同时,可允许更宽的环路带宽和更高的鉴相频率,从而改善了锁相环的带内相位噪声性能.     

Δ-Σ频率合成器带外量化噪声抑制技术

基于对电荷泵电流不匹配引起的高阶Δ-Σ调制器（DSM）量化噪声建模,提出一种改进型小数分频频率合成器（Frac-N）模型,即：在传统小数分频频率合成器的反馈支路上嵌入一个不含分频器的宽频带锁相环（PLL）构成的噪声滤除器（NF）。另外,为了减小鉴频鉴相器（PFD）输入端相位误差,设计了一个线性度能达到89%的电荷泵。该频率合成器采用0.18μm CMOS电路实现,仿真结果表明采用该噪声滤除技术可以对高阶DSM产生的带外量化噪声进行有效抑制。     

优化耦合方式的低相位噪声宽带正交压控振荡器设计

本文对传统正交压控振荡器(QVCO)耦合方式进行了改进,提出了在耦合管的源端引入相移网络的方法,从而改善了QVCO电路的相位噪声性能以及减小输出相位失配,并依此设计了一个低相位噪声,输出相位关系稳定的宽带正交压控振荡器.QVCO电路采用TSMC 0.13 μm CMOS工艺进行设计,输出频率范围为3.4～5.48 GHz,即调谐范围达46.8%.测试表明,输出频率4.2 GHz时在频偏1 MHz处,相位噪声为-120 dBc/Hz.在整个输出频率范围内电路FOM值介于179.5～185.2 dB,电路功耗为7.68～18mW.     

电荷泵锁相环系统相位噪声分析

阐述了基于无线通信领域中的锁相环的系统结构,并以电荷泵锁相环为例分析了锁相环中两类主要噪声对环路造成的影响,并推导了环路对噪声的线性过滤性能,基于推导的结果给出了减小环路噪声的几种解决方法.     

一种高速低相位噪声锁相环的设计

设计了一种1．8V、SMIC0．18μm工艺的低噪声高速锁相环电路．通过采用环行压控振荡器,节省了芯片面积和成本．通过采用差分对输入形式的延时单元,很好地抑制了电源噪声．与传统的简单差分对反相器延时单元相比,该结构通过采用钳位管和正反馈管,实现了输出节点电位的快速转变,整个电路芯片测试结果表明：在输入参考频率为20MHz、电荷泵电流为40μA、带宽为100kHz时,该锁相环可稳定输出频率为7971MHz—1．272GHz的时钟信号,且在中心频率500kHz频编处相位噪声可减小至-94．3dBc／Hz。     

多模式定位系统接收机中的分数频率综合器

针对单一的全球定位系统中接收性能易受环境影响的问题,提出了一个应用于3个定位系统、7种模式的多模式定位接收机中的分数频率综合器.通过改进的电流泵电流校正方法和提高谐振回路Q值等各种降低相位噪声的方法,达到了每种模式工作的稳定性和低相位噪声性能;以改进的多模分频器和3阶MASH1-1-1Σ-Δ调制器实现了7个频点的精确输出和各模式的快速锁定;在多模分频器中使用简单的电路将分频比的范围从64~79扩展到64~95.仿真结果表明,在每种模式下带内相位噪声(相对于载波的相噪声)均小于-90 dB,带外频偏1 MHz处相位噪声均小于-119 dB,杂散抑制(相对载波)均大于56.4 dB,各个模式锁定时间均小于18μs,1.8 V电源条件下的功耗为15.12 mW.     

一种应用于FPGA时钟管理单元的锁相环设计

设计了一种应用于FPGA时钟管理的可变带宽锁相环.该锁相环采用开关电容滤波器实现可变电阻滤波功能,用反比N电流镜(N为反馈分频系数)来为电荷泵提供偏置,使电荷泵电流与偏置电路电流成1/N的比例关系.本文还提出了用虚拟开关减少了开关两端电压的非理想电荷效应,并设计了一种5级延时单元组成的环形压控振荡器,显著提升了输出频率范围.该锁相环实现了环路带宽与输入频率比值固定,从而使环路带宽能够自动跟随输入频率在较宽范围内变化,保证了其稳定性.本文采用CMOS 65nm数字工艺流片,电源电压为1.2V,作为时钟管理单元IP核嵌入于复旦大学自主研发的FDP5FPGA芯片中.测试表明,本文设计的PLL环路带宽在0.7MHz到13.4MHz能够跟随输入频率在18~252MHz范围内变化,输入频率与环路带宽比值近似为20,产生762MHz~1.7GHz的宽范围输出时钟,阻尼因子均方差不超过8%.     

通信系统中小型化频率合成器设计

文章针对通信接收机小型化的要求提出了一种接收机频率源的设计思路,采用TSMC 0.18μm 1P6M混合信号工艺设计锁相环(phase locked loop,PLL)电路结构,设计了一种具有快速锁定时间、较宽频率调谐范围、低相位噪声的电荷泵锁相环(charge pump phase locked loop,CPPLL)。使用Cadence Spectre对电路进行仿真,电路整体具有在输入参考频率23～600 MHz之间产生1.92～2.62 GHz的时钟信号功能。在中心频率2.3 GHz、偏移载波频率10 MHz的情况下,敏感单元环形压控振荡器的相位噪声为-112.9 dBc/Hz。进行版图设计后,对电路进行验证,设计出小型化频率合成器芯片。     

千兆以太网物理层时钟产生/倍频单片集成电路设计

给出了一个基于TSMC 0.18 μm CMOS工艺设计的千兆以太网物理层时钟产生/倍频单片集成电路.芯片采用电荷泵结构的锁相环实现,包括环形压控振荡器、分频器、鉴频鉴相器、电荷泵和环路滤波器等模块,总面积为1.1 mm×0.8 mm.采用1.8 V单电源供电,测得在负载为50 Ω时电路的输出功率大于5 dBm.芯片在PCB板上键合实现锁相环路的闭环测试,测得锁定范围为130 MHz;当环路锁定在1 GHz时,振荡器输出信号的占空比为50.4%,rms抖动为5.4 ps,单边带相位噪声为-124 dBc/Hz@10 MHz.该电路适当调整可应用于千兆以太网IEEE802.3规范 1000BASE-X的物理层发信机设计.     

应用于调制域分析仪的2.5GHz频率合成器设计

针对调制域分析仪时基信号源的要求,设计了2.5G电荷泵锁相频率合成器,文中对其输出相位噪声进行了分析,讨论了低相噪条件下环路滤波器的设计方法和元件参数的选择并介绍了电磁兼容性的重要性和实施方法.所研制的频率合成器具有体积小、功耗低、稳定性高、输出相位噪声小等优点.     

基于多相位量化噪声抑制的分数频率合成器的实现

为抑制Σ-△调制器量化噪声对分数频率合成器输出噪声的影响,提出一种基于多相位分数分频器的频率合成器结构. 该结构可以避免毛刺并且主要电路模块不需要工作在高频,从而相应节省了功耗,同时分频器的输入可以不需要50%的占空比. 通过对比发现,对于环路带宽为1 MHz的宽带情况下的Σ-△分数频率合成器,多相位分频器技术可以减小频率合成器输出频谱的相位噪声达12 dB. 该频率合成器使用UMC 0.18 μm CMOS工艺实现,仿真结果证明它可以满足DVB-H系统协议指标要求.      

一种应用于超高速ADC中6G/8GHz的高精度正交时钟产生电路

正交时钟被广泛地用在正交频分复用(OFDM)通信系统的时间交织模拟数字转换器(ADC)中.正交信号的相位偏差和时钟抖动对整个系统都有着重要的影响.针对时间交织ADC的应用需求,提出一种宽带的输出相位可调的正交注入锁定分频器,通过调节注入信号和耦合信号的能量来改善因器件失配和工艺偏差等造成的正交信号的相位误差.在此基础上设计了一个基于LC压控振荡器的电荷泵型锁相环.该锁相环采用TSMC65nm工艺设计,正交时钟的频率输出范围是5.8~6.5GHz和7.1~8.3GHz,正交相位的平均误差小于0.26°,满足系统设计的预设指标.     

90nm CMOS工艺高速锁相环设计与优化

基于TSMC90nm CMOS工艺设计了一款高速锁相环.为优化锁相环整体的相位噪声及参考杂散性能,分析了差分电荷泵和LC压控振荡器的相位噪声,并且讨论了多模分频器的设计方法.高速锁相环的整体芯片版图面积为490μm×990μm.测试结果表明,在频偏1MHz处的相位噪声为-90dBc,参考杂散为-56.797dBc.      

基于三态鉴频鉴相器的锁相环设计

为了给混频器模块提供合适的固定本振信号,采用三态鉴频/鉴相器和有源环路滤波器,设计了2.56GHz的锁相环电路,给出了一种差分有源环路滤波器的设计方法,经制作PCB板验证,单边带相位噪声达到了预期的指标。