（微电子学与固体电子学专业论文）无线传感网络接收芯片内嵌高性能pfdcp设计.pdf

l i i ii i ri i i ii ii ii ii ii ii y 17 6 0 9 6 8 h i g hp e r f o r m a n c ep f d c p f o r w s ni 汪c e i v e r at h e s i ss u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y l ic h u a n g s u p e r v i s e dby：5udervlsed 1 9 p r o f w uj i a n h u i s c h o o lo fe l e c t r o n i cs c i e n c ee n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y m a r c h2 0 1 0 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南人学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：苤i 蔓1 日期：丝缸：三：呈拿 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：瘥i 豳 导师签名： 摘要 摘要 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，w s n ) 技术综合了传感器技术、嵌入式计算机技术、 现代网络及无线通信技术等前沿技术，能够通过各种集成化的微型传感器协作实时监测、感知和采 集各种环境监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理。z i g b e e 技术因其超低功耗、抗干扰 和低成本等优点，使其在无线传感器网络领域发挥出巨大的作用。 论文基于s m i c0 1 8 t u nr f c m o s 工艺设计了适用于无线传感器网络接收芯片内嵌锁相环( p l l ) 的鉴频鉴相器( p f d ) 和电荷泵( c p ) 电路。论文总结了p f d c p 不同电路结构的工作原理及其相应的优 缺点，讨论了p f d c p 对于整个锁相环环路的影响。根据p l l 环路系统性能要求确定了p f d c p 的设 计指标，论文重点设计了基于静态c m o s 逻辑单元的p f d 电路，同时对于传统的电荷泵电路进行了 改进，设计了自校准低失配大摆幅的全差分型电荷泵电路；版图设计对于p f d c p 电路的性能会产生 很大的影响，论文在总结模拟电路版图设计要点的基础上，重点进行了电荷泵电路中的电流镜晶体 管的对称性设计，以实现电荷泵( c p ) 电流的低失配的目标。 论文基于s m i c0 1 8 j a nr f c m o st 艺库完成了p f d 和c p 的前后仿真验证，结果表明：p f d 死区小于1 0 p s ，t 作频率可以高达3 1 0 m i - i z ，c p 的电流失配小于0 5 ，完全符合设计要求。同时， 对芯片的测试结果表明，电流的失配值可以在一定范围内满足指标要求。 关键词：鉴频鉴相器、电荷泵、锁相环、环路模型、相位噪声 e m b e d d e dc o m p u t e r ，m o d e mn e t ，c o m m u n i c a t i o na n ds oo n ，c o u l dr e a lt i m es u p e r v i s e ，a p p e r c e i v ea n d c o l l e c tt h ei n f o r m a t i o no fw h i c hi ss u p e r v i s e db ym a n yi n t e r g r a t e ds e n s o r s a n dt h ei n f o r m a t i o nw i l lb e d e a l e dw i t hb yt h ee m b e d d e dc o m p u t e r s i n c et h ea d v a n t a g e so fl o wp o w e rd i s s i p a t i o n a n t i - i n t e r f e r e n c e a n dl o wc o s t t h ez i g b e et e c h n o l o g yh a sp l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei nt h ew s n ap f d c pi sd e s i g n e di nt h i sp a p e rf o rt h ee m b e d d e dp l li nt h ew s nw i u ls m i co 18 p mr f c m o s t e c h n o l o g y t h ep a p e rs u m m a r i z e st h ep r i n c i p l ea n dt h ep r o sa n dc o n so fd i f f e r e n tp f d c p s s t r u c t u r e t h e n t h ea r t i c l em a i n l yd i s c u s s e st h ei n f l u e n c eo fp f d c pt ot h ee n t i r el o o po fp l l t h ep e r f o r m a n c e i n d i c a t o ro ft h ep f d c ph a sb e e nm a d ei na c c o r d a n c ew i t ht h ed e m a n do ft h el o o p t h ep a p e rp r o p o s e sa p f dc i r c u i tb a s e do ns t a t i cc m o sl o g i c a lu n i ta n dac a l i b r a t e dl o wm i s m a t c hw h o l ed i f f e r e n t i a l t y p ec p w h i c hc o n s i s t so fa w i d e s w i n gc u r r e n tm i r r o ra n das y m m e t r i cc h a r g ep u m pp a i rb a d e do n t h e i m p r o v e m e n to ft h et r a d i t i o n a lc p t h el a y o u t c o n s i d e r e da st h ev i t a ls t e pi nt h ea n a l o gc i r c u i td e s i g n ， g r e a t l yi n f l u e n t s t h ep e r f o r m a n c eo ft h ep f d c p t h el a y o u tm e t h o do f 也ea n a l o gc i r c u i ti sp r e s e n t e d 。 e s p e c i a l l yr e f e r r i n gt h es y m m e t r i c a ld e s i g no ft h et r a n s i s t o r sw h i c hc o m e sd o w nt op e r f o r m a n c eo ft h e c u r r e n tm i s m a t c h t h et h e s i sc o m p l e t e st h es i m u l a t i o na n dt h ec a l c u l a t i o no fa n a l y s i so ft h ep e r f o r m a n c eo ft h ep f d c pb y s p e c t r ew i t ht h es m i co 18 b mr f c m o st e c h n o l o g y t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t p f dd e a d z o n ec a n b ea c h i e v e dl0 p s t h eo p e r a t i n gf r e q u e n c yc a nb ea sh i g ha s3l0 m h z ，a n dt 1 1 ec u r r e n tm i s m a t c ho fc pi s l e s st h a n0 5 i nc o n c l u s i o n t h ed e s i g ni sf u l l yc o n s i s t e n tw i t ht h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s t h em e a s u r e m e n t r e s u l t ss h o wt h a t t h ec u r r e n tm i s m a t c ho ft h ec pi sb e l o w0 5 i nan a r r o wr a n g e k e yw o r d s ：p f d ( p h a s ef r e q u e n c yd e t e c t o r ) 、c p ( c h a r g ep u m p ) 、p l l ( p h a s el o o k e dl o o p ) 、l o o p m o d e l 、p h a s en o i s e i i !：iii!：一 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i 第1 章绪论。l 1 1 锁相环的发展和应用一1 1 2 电荷泵式锁相环的发展历程2 1 3 课题的提出2 1 4 论文的结构3 第2 章鉴频鉴相器和电荷泵的理论4 2 1 鉴频鉴相器和电荷泵的工作原理。4 2 2 鉴频鉴相器和电荷泵的分类6 2 3 鉴频鉴相器和电荷泵设计结构的选择1 2 2 4 鉴频鉴相器和电荷泵设计指标的要求1 2 第3 章鉴频鉴相器和电荷泵性能对环路性能影响1 3 3 1 鉴频鉴相器和电荷泵性能概述1 3 3 2 鉴频鉴相器和电荷泵性能对环路性能的影响1 7 第4 章高性能鉴频鉴相器和电荷泵的电路设计2 5 4 1 高性能鉴频鉴相器设计2 5 4 2 高性能电荷泵设计2 6 第5 章高性能鉴频鉴相器和电荷泵的版图设计3 4 5 1 模拟电路版图的设计要点3 4 5 2 影响模拟电路版图设计的主要冈素3 4 5 3 电路中各个模块的版图设计3 6 第6 章仿真测试结果与分析3 9 6 1 鉴频鉴相器和电荷泵的功能验证3 9 6 2 鉴频鉴相器性能指标的分析4 l 6 3 电荷泵电流失配仿真4 3 6 4 电荷泵电流失配测试4 5 第7 章总结和展望4 8 至定谢4 9 参考文献5 0 作者简介5 2 i i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 锁相环的发展和应用 锁相环p l l ( p h a s el o c k e dl o o p ) 是一种能够跟踪输入信号频率和相位，并控制输出信号频率和 相位固定在与输入信号相关的某一值的电路系统。它广泛应用在计算机、通信以及消费电子产品中， 主要功能为频率合成、时钟或数据恢复以及信号误差消除等剖。 1 9 3 2 年，相干通信的发明者法国工程1 ) 币d e b e l l e s c i z e 实现了第一个锁相环。这个用电子真空管来 实现的锁相环被用来相干解调幅度调制的信号。这项工作提供了一种不同的方法来接收和解调调幅 信号。集成电路出现以后，锁相环被广泛应用到t 业应用领域。锁相环的第一个重要的应用是电视 接收机中的彩色子载波相干解调电路，这是为了能使彩色电视同黑臼电视兼容，所以对彩色电视中 的色度信号进行载波调制，因此在接收端必须解调色度信号。1 9 6 5 年，第一个锁相环的集成电路芯 片出现，该锁相环采用模拟乘法器作为鉴相器，压控振荡器产生锁相环输出信号，它是一个纯模拟 的器件。1 9 7 0 年，出现了混合器件实现的锁相环，之后义出现了全数字锁相环和软件锁相环，但后 二者由于在应用上的缺陷，混合器件的锁相环仍是应用的主体。目前锁相环广泛应用在电视机彩色 副载波提取、调频立体声解码、电机转速控制、微波频率源、锁相接收机、移相器以及各种方式的 调制器和解调器、频率合成器等u 儿“。 随着集成电路的发展，锁相环已经成为现代通信系统中必不可少的一部分。由锁相环构成的间 接式频率合成器( f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r ) 在无线通信领域发挥出非常重要的作用。这种间接式频率 合成器产生的输出信号频率可以通过编稗控制，输出值为分频比乘以固定的输入频率。通常间接式 频率合成器的输出信号用来作为在无线接收机中的本地振荡信号。在无线通信领域锁相环可以用作 直接频率调制器和频率解调器，并且从输入信号中再生载波e 6 q o j 。 锁相环在纯数字系统中同样被广泛应用，现代微处理器和数字信号处理器的时钟频率变得非常 高，对于g h z 的时钟不能直接从芯片外面引入，这是由于p c b 板的限制和引线的寄生效应会使时钟 信号发生严重的畸变，所以片上g h z 的时钟必须采用锁相环进行时钟合成得到。高性能微处理器和 数字信号处理器中的时钟产生、时钟分布和时钟同步都与锁相环密切相关“”“。 图1 1 为普通锁相环的系统框图。锁相环主要由四部分组成：鉴相器( p d ) ，环路滤波器( l f ) ， 压控振荡器( v c o ) ，分频器( d i v i d e r ) 。鉴相器p d 将输入的参考信号和压控振荡器v c o 的输出信 号经n 分频器后进行比较，从而产生误差控制电压v p d ，并经过环路滤波器l f 后以v c o n t 来调整压控 振荡器v c o 的相位( 或频率) 从而实现对频率和相位的精确跟踪。鉴相器p d 的平均输出v p d 与其两 个输入信号的相位差ac a 成线性比例。在理想状况下，v p d 和a o 之间的关系是直线的，直线的斜率 k p d 就是鉴相器的增益。常用的p d 主要是由g i l b e r t 单元组成的模拟乘法器p d ，x o r 式p d ，r s 锁存 器p d 等，但这些p d 只能进行鉴相而不能进行鉴频，将会产生误锁现象，这将大大影响p l l 的性能u j 。 图1 - 1p l l 结构图和数学模型图 将普通p l l 的各个组成部分用它们各自的传输函数来表示，即构成了普通p l l 的线性数学模型， 如图1 1 右所示，由该数学模型导出p l l 的开环传输函数和闭环传输函数，如公式( 1 1 ) ( 1 2 ) 所 示，锁相环的很多分析都需要借助这些公式“1 ： 邵，= 普l 开= k e o f 争 东南大学硕f ：学位论文 日( s ) - ( w 。o 加l l ti 闭2 瓦k e 币o f ( 丽s ) k v c o n ( 1 2 ) 1 2 电荷泵式锁相环的发展历程 电荷泵锁相环( c p p l l ) 是本文所研究的主要对象，电荷泵锁相环属于混合信号锁相环。鉴相 器的发展一直与锁相环的发展同步，在最早出现的纯模拟锁相环中，采用的是纯模拟器件模拟乘法 器来实现鉴相。之后义出现了用异或门和j k 触发器来实现的鉴相器，采用这种类型的锁相环系统也 被称为混合信号锁相环。在混合信号锁相环中，采用模拟乘法器的传统模拟锁相环和采用异或门鉴 相器或j k 触发器鉴相器的混合信号锁相环的频率获取范围远远不能满足现代通信系统的发展需要， 而且在锁定时有相位误差的存在1 儿剔。因此，有着无限捕捉范围和精确锁定的电荷式锁相环出现了， 并完全取代了以往各种鉴相器成为混合信号锁相环中不可或缺的一部分。 电荷泵锁相环采用时序逻辑三态鉴频鉴相器1 4 川别，时序逻辑三态鉴频鉴相器具有频率获取能力、 扩展的跟踪范围和低成本等非常明显的优点。除了在锁相环环路锁定时进行相位检测外还包含在环 路失锁时进行频率检测，这也是其被称为鉴频鉴相器的原因。在电荷泵锁相环中，鉴频鉴相器与电 荷泵相结合使得采用无源环路滤波器的电荷泵锁相环理论上能产生无限的直流增益和无穷大的频率 牵引范围，并且获得零静态相位误差。所以对于电荷泵锁相环来说，采用无源环路滤波器完全能够 取得t y p ei i 型锁相环的性能。 基于上述优点，现在国内外p l l 的设计大都采用电荷泵式锁相环结构。电荷泵式p l l 结构如图 1 2 所示；它由鉴频鉴相器p f d ( p h a s e f r e q u e n c yd e t e c t o r ) ，电荷泵c p ( c h a r g ep u m p ) ，环路滤波器 l f ( 1 0 0 pf i l t e r ) 和压控振荡器v c o ( v o l t a g ec o n t r o l l e do s c i l l a t o r ) 组成口儿“。p f d 检测参考信号和 v c o 输出信号的相差和频率，产生u p 或d o w n 脉冲信号并送入电荷泵c p ，经过电荷泵以后，脉 冲信号被转化成电流信号，对环路滤波器进行允放电，然后转换为电压信号。环路滤波器滤除电压 信号中的高频成分后，再送到v c o ，v c o 将根据控制电压来改变振荡频率，并将输出信号送到分 频器( f d ) ，使得整个p l l 环路形成一个闭环反馈系统，最后v c o 有效锁定在与参考频率信号相关 的某一频率上1 ：2 ：引。 图1 2 电荷泵式p l l 结构图和线性数学模型图 图1 2 右为电荷泵式p l l 的线性数学模型。由该数学模型推导出其开环传递函数及闭环传递函 数，如公式( 1 3 ) ( 1 4 ) 所示【l 】： 即) - 1 w 1 ) o 加u t 开2 鲁邢) 争 日( 耻鲁i 闭。百i 丽c p f ( 瓦s ) k j v c o n 蕊 1 3 课题的提出 ( 1 3 ) ( 1 4 ) 本文在国家8 6 3 项目无线传感网络技术研究基础上，提出了应用于2 4 g h z 锁相环中的鉴频鉴相 器( p f d ) 和电荷泵( c p ) 的设计。作为锁相环式频率合成器的主链路的重要部件，鉴频鉴相器和电荷 泵的好坏直接影响到环路性能的好坏。例如，由于“死区”( d e a dz o n e ) 的存在，其振荡频率就会 在一定范围内振荡，严重时还可能导致失锁；电荷泵( c p ) 的电流失配也会导致其杂散性能的降低， 2 第1 章绪论 等等。这些严重的非理想特性都会导致锁相环整个环路的性能急剧恶化，从而导致相位噪声等重要 参数不能达到整个系统的要求。 1 4 论文的结构 本文在第二章中，主要总结了鉴频鉴相器( p f d ) 和电荷泵( c p ) 的常用结构，分析这些结构 性能的优劣，同时最终选定本文设计的主要结构。第三章，主要介绍鉴频鉴相器( p f d ) 和电荷泵 ( c p ) 的主要性能指标，同时重点介绍非理想特性对于整个环路的影响，给出各种影响的基本模犁， 作为本设计的依据。第四章提出了本文的高性能鉴频鉴相器和电荷泵的电路设计，并根据相应的性 能指标的要求作出电路的优化。第五章给出模拟电路设计中版图制作的要点，同时更重要的是给出 本文电路的版图设计。第六章基于s m i c0 1 8 “r nr f c m o s 工艺库对p f d 及c p 的各项性能指标作出 详细的分析和仿真验证，同时完成了对芯片的测试。第七章总结了本文各项的研究工作，并提出展 望。 3 系统。首先通过鉴频鉴相器p f d ( p h a s ef r e q u e n c yd e t e c t o r ) 比较参考频率信号和压控振荡器经过分 频后的信号的相位差，电荷泵取出与这两个信号的相位误差成正比的电压作为误差电压来控制压控 振荡器v c o 的频率，以达到调节与输入信号参考频率相等的目的l l 圳。 在p l l 环路中，鉴频鉴相器的功能是比较两个输入信号的相位和频率差别，并将这种差别转换 为电压信号输出到电荷泵。电荷泵将输入的电压信号转换为电流信号，对环路滤波器进行充放电， 从而调节压控振荡器( v c o ) 的控制电压，改变其振荡频率。其中鉴频鉴相器的输入信号分别为参 考频率输入信号k 和压控振荡器输出经分频后的信号。 2 1 鉴频鉴相器和电荷泵的工作原理 2 1 1 鉴频鉴相器的工作原理 鉴频鉴相器p f d ( p h a s ef r e q u e n c yd e t e c t o r ) 是锁相环中的重要组成部分，它主要将系统输入信 号与内部的反馈信号之间频率和相位进行比较，输出结果直接用来控制v c o ，以产生系统所需要的 各种频率信号【1 5 】。 理想的p f d 框架示意图如图2 - 1 ( a ) 所示。p f d 的工作原理类似于差动放大器，两者都是检测 两个输入的差值，产生与之成正比的输出。p f d 的平均输出v 。与其两个输入的相位差中成线性正 比例关系。理想状况下，p f d 的平均输出电压应与两输入信号的相位差成正比v o u t = k p d ( 中1 一2 ) = k p d a 中。v 。和a 之间的关系曲线是直线，直线的斜率k m 就是p f d 的增益。图2 - l ( b ) 所示 为理想p f d 的特性曲线”1 。 图2 1 ( c ) 为鉴相鉴频器p f d 的状态示意创9 】，其三态工作方式分析如下： ( 1 ) 当p f d 处于状态0 时，u p 和d o w n 的输出信号都处于无效状态； ( 2 ) 当p f d 处于状态1 时，u p 为“1 ”，d o w n 为“0 ”；当f 信号的上升沿到来时，u p 从无 效“0 ”状态转化为“1 ”状态，直到。信号的上升沿到来时，再由“1 ”状态转化为无效“0 ”状 态；而此时，d o w n 信号一直维持无效状态； ( 3 ) 当p f d 处于状态2 时，u p 为“0 ”，d o w n 为“1 ”：当k 。信号的上升沿到来时，d o w n 从无效“0 ”状态转化为“1 ”状态，直到钰信号的上升沿到来时，再由“1 ”状态转化为无效“0 ” 状态；而此时，u p 信号一直维持无效状态。 p f d v o 叫。 舯】 一 矽 ， u p d n ( a ) p f d 框架示意图( b ) 理想的p f d 的特性曲线( c ) p f d c p 三态示意图 图2 1p f d 示意图 p f d 有两种工作方式：当环路进行频率捕捉时，p f d 就以鉴频方式工作；当进入相位锁定区域 4 第2 章鉴频鉴相器和电荷泵的理论 以后，就转化为鉴相方式工作。当输入参考信号的频率大于输入受控信号v c o 的频率，即名f 。 时，鉴频鉴相器p f d 就产生正脉冲u p 信号，而d o w n 信号一直保持低电平，如图2 2 ( a ) 所示。 反之，如果f 名f f v c 。( a ) 岛f f v 。时， p f d 产生正脉冲u p 信号，由于p f d 的非理想性，使得d o w n 信号同时产生复位脉冲信号，此时， c p 充电且v c 增加，如图2 _ 4 ( a ) 所示；当乓f ( a ) k 广 。( b ) 2 2 鉴频鉴相器和电荷泵的分类 鉴频鉴相器( p f d ) 既可以检测相位也可以检测频率，纵观国内外的设计和发展，应用于c m o s 锁相环中的p f d 电路设计目i j 有四种结构：普通型边沿触发式p f d 、预充电式n cp f d ( n o nc l o c kp f d ) 及p tp f d ( p r e c h a r g et y p ep f d ) 、t s p c ( t r u es i n g l ep h a s ec l o c k i n g ) 动态结构的d 触发器式p f d ； 全差分型边沿触发式p f d 。随着p l l 环路设计不断发展，满足p l l 系统整体要求的电荷泵电路的 设计也呈现出多样化的发展。根据c p 电路中开关管的位置可分为三类，根据c p 的结构可以大致分 为四类：传统三态型、电流控制型、差分输入单端输出型及全差分型【l i j 【i 引。 2 2 1 鉴频鉴相器的分类 ( 1 ) 预充电式n c p f d 和p tp f d 预充电式n cp f d ( 1 9 9 8 年提出) 如图2 5 ( a ) 所利8 】 1 2 】，它主要由两个n c 级延迟( 两个反相 器) 放在参考信号和受控信号之间，以便去掉相位特性曲线在靠相差周围的死区。优点是结构简 单，无死区，属于高速的p f d ；缺点是鉴相范围不高( 豇) ，而且它的相位特性依赖于输入信号的 占空比因数。 预充电式p tp f d ( 1 9 9 5 年提出) 如图2 - 5 ( b ) 所示，它由1 8 个晶体管组成，它的预充端点代 替了传统的触发器，该电路结构简单，延迟路径为三个逻辑门深度。优点是结构简单，属于高速的 p f d ；缺点是精确范围不高( 兀) ，有死区存在。 ( 2 ) 普通型边沿触发式p f d 普通犁边沿触发式p f d 如图2 - 6 ( a ) 所示u 制，它由两个带有复位端( r e s e t ) 的沿触发的d 触发 器和一个逻辑门与门组成。优点是采用传统的d 触发器和与门构成，电路结构比较简单；而且线性 度好，鉴相范围宽( - - 2 ，+ 2 靠) 。缺点是门延迟较大，工作频率不高，使得p f d 电路的内部节 点不能被完全的拉高或拉低，造成电路在较高的工作频率下会有很大的功耗和较低的工作速度；但 对于低频工作它不受这方面的限制。 ( 3 ) t s p c 动态结构的d 触发器式p f d 该结构的t s p c 是基于传统的d 触发器改造而成的，如图2 - 6 ( b ) 所示【l5 1 。优点是t s p c 结构 比较简单，只有一个时钟输入端和一个数据输入端，速度比较快；由于只有单时钟输入，使得相位效 果比较好，可以减少相位噪声；而且和c m o s 标准门结构的d 触发器相比在高频工作情况下有较低 的功耗。缺点是如果输入信号的幅度较小就不能有效的工作，必须加上s f 电路( 或者b u f f e r 电路) 增加输入和输出信号的幅度，这样势必会增加p f d 电路的功耗。 6 ( a ) ( b ) 图2 5 ( 副n c p f d 电路图及其特性曲线( b ) p t _ p f d 电路图及其特性曲线 ( a )( b ) 图2 - 6 ( a ) 普通型边沿触发式p f d 及其特性曲线( b ) t s p c 动态d 触发器式p f d 及其特性曲线 2 2 2 电荷泵的分类 首先，根据开关管在电荷泵电路中的具体位置，可分为三大类，以单端为例，如图2 7 所示： ( a )( b ) 图2 7 单端电荷泵开关在( a ) 漏极( b ) 栅极( c ) 源级 图2 7 ( a ) 中电路的开关管放在电流源的漏极，开关关断时，电流将m l 漏极电压拉至地。当开 7 东南大学硕+ 学位论文 关闭合时，漏极电压从0 升至滤波器的电压。在漏极电压达到饱和电压之前，m 1 一直工作在线性区。 这时，因为m 1 和开关管两端电压的变化，将会有过冲电流产生。p m o s 会发生同样的情况，而由 于这个过冲电流和电荷泵的输出电压有关，所以很难得以匹配。佃) 中电路的开关管放在电流源的栅 极，这样保证了电流镜一直工作在饱和区。如要提高转换速度，m 3 和m 4 的偏置电流不能减小，因 为m 3 和m 4 的跨导会影响转换的时间常数。当输出电流很大时，m 1 和m 2 的栅电容很重要。长沟 道器件利于电流的匹配。( c ) 中电路的开关管放在电流源的源极，m 1 和m 2 - e 作在饱和区，m 3 和 m 4 的跨导不会影响转换时间。可以以较低的偏置电流达到较高的输出电流。这种结构转换速度比( b ) 快，因为开关管只与单管连接，寄生电容小。 和单端输出电荷泵相比，差分输出电荷泵有很多优点：首先，对p m o s 和n m o s 的失配对电荷 泵整体性能的影响不是非常重要，但还是需要p m o s 之间和n m o s 之间各自匹配；开关管采用 n m o s ，结构对称，不会对u p 和d n 信号产生不同的延时；输出电压比单端扩大一倍，在低压供电 的情况f ，有限的输出电压会限制v c o 的调谐范围；差分输出对泄露电流不敏感，泄露电流只对差 分输出的共模电压有影响；最后差分电荷泵以及两个滤波器对电源、地和衬底噪声不敏感。但同时， 差分电荷泵也更加复杂，需要两个滤波器，共模反馈电路，版图面积和功耗都将增加。 下面介绍一些电荷泵的发展情况： ( 1 )传统型电荷泵电路 传统型电荷泵电路原理图如图2 8 ( a ) 所示i s 12 1 ，两个m o s 管作为开关，u p 和d n 两个信号 直接控制m o s 管的工作状态。显然，该电荷泵的工作性能不是很理想。首先，m o s 管不是理想开 关，转换速度不快，并伴随载流子注入引起的错误；其次，当u p 和d n 信号都为低电平时，v c 是 悬浮的；这时，虽然v c 的电压值保持不变，但是a 点的电压被上拉到v d d ，而b 点的电压被下拉 到v s s 这种跳跃现象会引起v c 电压的不连续性，该跳跃给p l l 环路引入噪声，从而引起v c o 频 率的不稳定。 从其实现电路图图2 8 ( b ) 分析可见，当m p 3 关断时，在a 点的寄生电容被充电至v d d ，当 u p 信号使m p 3 打开时，a 点电压从v d d 开始下降，当时该电压不能使m p 2 马上t 作在饱和状态而 要在线性区工作一段时间。因此，在a 点存储的电荷和流过m p 2 的电流会给负载电容一个过冲注入 电流，即会产生跳跃现象。 为了解决这个问题，国内外提出了很多改进方法。比较典型的办法有两种：一种是将u p 和d n 信号采用差分对管差分输入，并在其中加入一个运算放大器。另一种采用电流控制技术，以提高m o s 管的开关速度和减少载流子注入引起的错误。 咿_ q ( a )( b ) 图2 8 ( a ) 传统型电荷泵电路原理图( b ) 传统型电荷泵电路图 ( 2 ) 简单的传统改进型电荷泵 为了使电路简单，仅将传统型电荷泵电路作了略微的改动，图2 - 9 为简单的传统改进型电荷泵 电路图 1 5 】。该电路的优点是m p 3 仅工作在截止或饱和状态，避免其工作在线性区，从而避免了过冲 电流的产生。但是该电路在电荷泵输出为高时，m n 3 的栅电容将会起很大的影响作用；同时由于g 。d 和g 删j 影响了开关速度，从而使该电路的工作频率不能太高。 8 第2 章答频鉴相器和电荷泵的理论 ( 3 ) 传统改进型电荷泵 传统改进型电荷泵电路如图2 1 0 所示n 6 1 7 1 。该电路采用差分对管作为开关管，并且在其中加入 一个运算放大器。该电路利用运放的反馈作用使得a 点和b 点的电压保持一致，并使之与输出节点 的电压连续。虽然加入运放后，电路改善了跳跃现象，但是为了使运放的输出电流与i u d 和i 出l 相匹 配，输出和共模输入电压达剑从v s s 到v 叩，运放需要做的很大，这样运放会占据很大的版图面积， 使电荷泵电路大大复杂化，同时运放会有较大的输出电流会对原先的电荷泵产生很大影响。 而叫 丽- 1 图2 - 9 简单的传统改进型电荷泵电路图图2 1 0 传统改进型电荷泵电路图 ( 4 ) 几种新型的改进型电荷泵 图2 - 1 1 给出了一种低压高速的电荷泵n 引，此电荷泵可以在1 v 电压下，以5 0 0 m h z 的速度工作。 当u p 信号由低到高的过程中，对于p 2 的电子注入时间会很长，因而会影响p 3 的开关速度。为了 解决这一问题，电路中在p 3 的栅端增加了p 5 和m 1 ，此时，p 3 栅端的电压会很快降低，从而可以 很快的打开p 3 。当p 2 打开时，p 5 会处于饱和状态，所以p 5 可以看作是电流源，而不是开关。需 要注意的是，p 5 与m 1 需要高度的匹配，当它们同时导通时都处于饱和状态，同时，为了不在p 2 的栅端增加额外的电容，p 5 与m 1 的尺寸应该尽可能的小。由于p 3 在输出端会有电荷共享的效应 而对波形产生干扰，所以为了解决这一问题，电路增加了p 6 的缓冲级作为延时。保证p 6 在p 3 导通 之后( t d ) 导通，在t d 时间内，由p 3 产生的波动不会导入输出端的电容，同时，p 6 的寄生电容和 c d 也削弱了波动对于输出的影响。 图2 1 1 一种低压高速的电荷泵 9 一 h 。 咿广上 图2 1 3 给出了一种利用正反馈技术提高开关速度的电荷泵结构啪1 ，此电路的优点是电路能够工 作很高的频率上，并且在很低的电压下，仍然能以很高的频率工作，功耗比较低，输出电压可以在很大 范罔变化，因为其不会受到开关阈值电压的限制。 丽一 图2 一1 3 一种利用正反馈技术的电荷泵 l 丽 图2 1 4 给出了一种有效降低时钟馈通和电荷共享效应的电荷泵结构旧，该电路利用的是差分输 入差分输出的电路，该电路利用八个虚拟管四个n 管和四个p 管来消除八个开关管的电荷注入和 时钟馈通的影响；利用运放来使得电荷共享消除；并通过调节p b l 电压的大小来电节输出的共模电 流大小。 图2 1 5 的电荷泵电路采用了g a i n - b o o s t 技术来减小电荷泵电流的失配旧1 。m n l 和m p l 作为 电荷泵的源置开关管，由p f d 的u p 和d n 信号驱动。m n 3 和m p 3 作为电流源，m n 4 和m p 4 分别 作为单管放大器，因此充放电电路皆为g a i n b o o s t 结构。当电荷泵充电或放电时，输出阻抗提高， 抑制了沟道调制效应，电流的匹配程度得到改善。因为电源和地之间无需叠加额外的c a s c o d e 管，所 以此电路可以应用低电压电路里。而p m o s 和n m o s 的输出阻抗不同，会引起电流的一些失配，故 需对u p 和d n 电路精心设计，m o s 的尺寸也要仔细选择。 1 0 m 9 m 2 4 是电流源，m 2 5 m 2 8 作为共模反馈电路，i t 作在三极管区。m 2 9 m 3 2 使电路工作在c l a s s a 状态。当电路完全对称时，u p 和u p b 之间或者d n 和d n b 之间的延时不会对输出有影响。 图2 1 6 差分输出电荷泵 d w 东南大学硕士学位论文 2 3 鉴频鉴相器和电荷泵设计结构的选择 由以上分析可知，目前使用的p f d c p 的结构非常多，但真正常用的仅有一两种，特别是在p f d 方面，普通型边沿触发式p f d 冈其采用传统的d 触发器和与门构成，电路结构比较简单，且无静态 功耗，所以功耗低；而且线性度好，鉴相范围宽( - - 2 ，+ 2 ) ，其存在死区的缺点也可以很容易 的通过增加一定的复位延时电路来解决，冈而得到了广泛的关注和使用。在c p 方面，由于系统要 求c p 电流在8 倍的范围内变化，而同时电流的失配也要达到系统要求，所以，传统改进型c p 结构 冈其结构( 如图2 1 0 所示) 简单，应用成熟，是本文设计参考的首选。 2 4 鉴频鉴相器和电荷泵设计指标的要求 根据p l l 环路设计的整体要求，以及p f d c p 性能指标的相关性以及重要性，选定本论文所设 计的p f d c p 具体的技术指标如下： 1 p f d 鉴相精度： 5 m h z 3 c p 电压输出范围：0 3 v - 1 5 v 4 c p 电流失配： 0 5t v 时，( u d ) a v e 的极性发生错误，会造成v c o 的频率原理参考频率，而不是跟踪参考频率。d f f 的频率上限可将( 3 1 0 ) 式等于0 计算出，最后结果是： l = 击 ( 3 1 2 ) 根据上面p f d 各项性能指标的分析，在p f d 电路和版图设计中，我们应当仔细考虑各项指标之 间的相关性和重点性。一般来说，提高鉴相精度，减小“死区”范罔的主要办法是改进复位电路， 增大延迟t 删就可以增大u p 和d o w n 脉冲的宽度，从而减小“死区”。但是当。增大时，就 相应的增大，这样鉴相范围就减小，捕获速度也相应地减慢：并且p f d 的最大工作频率。也相应 地变小。由此可见，“死区”的减小和鉴相范罔的提高是相互矛盾的，所以在保证良好的鉴相范围和 捕获速度的前提下，改进p f d 的“死区”特性，提高其鉴相精度是本文p f d 设计及优化的重点i z 州【j 引。 3 1 2 电荷泵性能概述 在c p 的设计过程中，最重要的性能指标是电流失配和噪声，下面主要介绍电流失配的基本概 念，具体的失配以及噪声对锁相环性能的影响放到下一小节来详细叙述。 由于p f d 的非理想性，即使在输入相位差为零的情况下，也会在u p 和d o w n 的两端产生窄 的，重合的脉冲，为了消除死区的影响，这个重合脉冲往往会更宽。如果r e f 和v c o 同时上升， u p 和d o w n 也同时变高，从而激发复位。这样即使在p l l 锁定的状态下，u p 和d o w n 也会在有 效的时间内同时打开电荷泵，这时上下电流源同时打开，由于上下电流源的不匹配性，造成上拉与 下拉电流间存在一个i c p 的差异，使得电荷泵产生的净电流不为零，而此电流差i c p 使得v 。在 每个相位比较的瞬间都产生一个同定值，将影响v c o 的最终输出，最终可能会造成整个p l l 环路 的失锁。由此可见，失配电流主要是由于上下电流源晶体管的不匹配性能造成的，也就是说晶体管 的一些- t 艺参数决定了电荷泵失配电流的大小1 2 j j 4 。，如图3 8 所示。 ( a ) ( c ) ( a ) 原因；( b ) 瞬态响应；( c ) 频率响应 图3 8 电荷泵电流注入的失配 3 2 鉴频鉴相器和电荷泵性能对环路性能的影响 3 2 1 抖动与相位噪声的概述 ( 1 ) 抖动 公认的抖动的定义是：对一个理想的体系来说，参考信号的上升和下降沿都是在零点穿过域值 点的，而抖动就被称作对于整个理想穿越时间的偏移，如图3 - 9 所示。抖动可以分成确定性抖动和 随机抖动两种【2 5 1 。 1 7 图3 - 9 抖动的图示 时间的抖动是由边沿的不确定性决定的，如下图所示，可能的边沿会在一个时间区域的内部， 这一区域被称作p e a k t o p e a k 抖动。时间抖动可以用各种函数来表示，图3 - 8 中的柱状函数可以表示 每