文档介绍：浙江大学
硕士学位论文
高速锁相环集成电路芯片的设计
姓名:俞宏
申请学位级别:硕士
专业:微电子学与固体电子学
指导教师:韩雁
20050301
浙江大学硕士研究生毕业论文
摘要
本课题的目标是设计一个高速锁相环的集成电路芯片。
锁相环自年由提出至今,己经得到了广泛的应用与发
展。随着半导体工艺技术的提高与成熟,锁相环电路已经以集成电路芯片的形式
应用于诸多的产品中。随着科学技术的日新月异,特别是无线通讯、高速处理器
等领域,对锁相环电路的性能提出了越来越高的要求,锁相环电路工作在高速环
境下己成为当前的一大挑战。
本课题所设计的锁相环路适应高频工作环境,电路结构采用当前的主流结构
—数模混合结构的电荷泵锁相环。环路中的鉴相器是数字鉴频鉴相器结构,没
有反馈回路,提高了工作频率,并且缓解了传统鉴频鉴相器中死区的产生。电荷
泵结构也作了一定的改进,使得电荷注入、电荷分享等寄生效应得到了最大程度
上的减缓。压控振荡器采用环路振荡器结构,易于集成而且功耗低。采用了电流
驱动逻辑结构作为延时单元的压控振荡器具有良好的线性度、较宽的线
性范围以及高的工作频率。分频器采用真正的单相时钟逻辑,可以工作在
数量级的频率下。
本设计是采用华润一华晶半导体有限公司的准双阱
双层多晶硅、双层金属的伏标准艺实
现。利用的仿真器进行电路的仿真,平台进行了版
图的绘制与验证。的晶振输入信号,环路最高输出频率为,分频电
路采用了分频。芯片共有个管脚,包括的面积为
的核心面积为
浙江大学硕士研究生毕业论文
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第一章绪言
锁相技术的发展
锁相技术是一门实现相位自动控制的学科,是专门研究系统相位的技术。利
用锁相技术而成的锁相环是一个闭环的相位自动控
制系统,它的输出信号能够自动跟踪输入信号的相位变化,也可以将之称为一个
相位差自动跟踪系统,它能够自动跟踪两个信号的相位差,并且靠反馈控制来达
到自动调节输出信号相位的目的。
“锁相”的起源可以追溯到世纪,荷兰天文学家、物理学家
,平衡弹簧调整表的发明者,通过观察首次提出了“同步振荡器”
的概念,并且在给其父亲的信中进行了描述。当时
钟摆是主要的计时工具之一,注意到并挂在墙上的两座大钟摆走得一样
快慢,而且它们的运动已经超出它们能力范图,实现了长期同步,准确匹配得像
机械装置一样。他假定两座钟摆之间是通过空气媒质得到了相互支援,也就是说,
它们的相互支援达到了相互间的相位锁定。他第一次给出了两个振荡器之间出现
相位锁定的物理解释。但因为当时科学技术条件的限制,并没有引起重视,得到
应有的发展。所以也没有预见到相位锁定技术在未来的应用。
经过将近三百年的时间,锁相技术才在理论方面逐步得以发展和建立。随着
数学理论的日益完备,到年同步控制理论的基础也已经得到了建立。
年法国科学家在“”一文中,首先公开
发表了对锁相环路的数学描述,明确提出了“锁相”的概念,且运用此概念论述
了无线电信号的同步接收【。他提出实现同步检波技术的关键是如何产生一个
本振信号,使它与同步检波器另一个输入的微弱载波信号保持频率相同。但是他
的同步检波理论在当时并没有引起普遍的重视。
直到年锁相环技术才得到了第一次成功的应用,在电视机水平扫描行
同步装置中,有效的抑制外界噪声对同步信号的干扰,使电视图像的同步性能得
到很大的改善。利用锁相环路的窄带滤波特性滤除噪声,使行扫描振荡器跟踪输
入行扫描信号并与其保持同步,使得荧光屏上图像稳定清晰。同时,在此期间的
第二次世界大战中,各种武器装备对锁相环提出了更多的要求,也极大地推动了
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锁相技术的发展。为了满足这些极具挑战性的要求,很多先进的反馈控制理论在
此期间得到发展。
到了在五十年代,随着空间技术的发展,由牙利用锁相环
路作为导弹的跟踪滤波器获得极大的成功,并且首次提出锁相环路的线性分析方
法,发表了包含有噪声效应的锁相环路线性理论分析的文章〔,解决了锁相环
路最佳化设计的问题。
在六十年代,锁相技术的理论得到了进一步的发展,模拟锁相技术日臻成熟。
新的研究表明锁相环可以用作输入端的低通滤波器以及振荡器输出端的高通
滤波器。同时,锁相技术在伺服结构中得到广泛的应用。之后,
等研究了无噪声锁相环路的非线性理论问题,同时发表了“相千通信原理”一书,
推动了锁相技术在通讯领域的发展。在随后七十年代,等进行了有噪
声的一阶,二阶以及高阶锁相环的非线性理论分析,并且做了大量实验来充实其
理论分析。