（微电子学与固体电子学专业论文）高速锁相环集成电路芯片的设计.pdf

浙江大学硕士研究生毕业论文 y 6 8 9 2 8 0 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1 9 3 2 年由d e b e l l e s c i z e 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 ( c s l )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t s p c逻辑， 可以工作在 g h z 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c s m c 的0 .6 p m准双阱( t w i n w e l l ) , 双层多晶 硅( d o u b l e p o ly ) 、双层金属( d o u b l e m e t a l ) 的d p d m 5 伏标准c m o s t - 艺实 现。利用c a d e n c e的s p e c t r e 仿真器进行电 路的仿真，v i r t u o s o 平台进行了版 图的绘制与验证。6 m h z的晶振输入信号，环路最高输出频率为 1 4 4 m h z ，分频电 路采用了2 4 分频。 芯片 共有2 8个管 脚( p a d ) ， 包 括p a d的 面积为2 .o m m x 2 . o m m = 4 .0 m m 2 , c p p l l 的 核 心 面 积 为4 5 0 i m x 4 5 0 p m e 浙江大学硕士研究生毕业论文 ab s t r a c t t h i s p r o j e c t a i m s a t r e a l i z i n g a c h i p d e s i g n o f h i g h - s p e e d p h a s e - l o c k e d l o o p in t e g r a t e d c i r c u i t . t h e p h a s e - l o c k e d l o o p ( p l l ) , i n t r o d u c e d in 1 9 3 2 b y h . d e b e l l e s c i z e , i s a n e l e c t r o n i c d e v i c e d e s i g n e d t o e x t r a c t t h e t i m e -do m a i n s i g n a l s fr o m t r a n s m i s s i o n c h a n n e l s . wi t h t h e h i g h - s p e e d d e v e l o p m e n t o f m i c r o e l e c t r o n i c a n d i n t e g r a t e d c i r c u it t e c h n o l o g y , i t h a s b e e n d e v e l o p e d fr o m l i n e a r p l l t o d i g i t a l p l l . c h a r g e - p u m p p h a s e - l o c k e d l o o p ( c p p l l ) , w h i c h i s a t r u l y m ix e d - s i g n a l s y s t e m b e l o n g i n g t o d i g i t a l p l l , i s w i d e l y u s e d a s c l o c k g e n e r a t o r s i n a v a r i e t y o f a p p li c a t i o n s , s u c h a s m i c r o p r o c e s s o r s , w i r e l e s s r e c e i v e r s , s e r i a l l in k t r a n s c e i v e r s , d i s k d r i v e e l e c t r o n i c s a n d e t c . o n e o f t h e m a i n r e a s o n s f o r t h e w i d e l y a d o p t e d u s e o f t h e c p p l l i s t h a t it p r o v i d e s t h e t h e o r e t i c a l z e r o s t a t i c p h a s e o ff s e t , a n d a r g u a b l y o n e o f t h e s i m p l e s t a n d m o s t e ff e c t i v e d e s i g n p l a t f o r m s . t h e c p p l l a l s o p r o v i d e s fl e x i b l e d e s i g n t r a d e o ff s b y d e c o u p l in g v a r i o u s d e s i g n p a r a m e t e r s s u c h as t h e l o o p b a n d w i d t h , d a m p i n g f a c t o r , a n d l o c k r a n g e . o u r c p p l l c o n s i s t s o f a p h ase f r e q u e n c y d e t e c t o r ( p f d ) , a c h a r g e p u m p ( c p ) , a p a s s i v e l o o p f i l t e r ( l f ) , a n d a v o lt a g e - c o n t r o l l e d o s c i l l a t o r ( v c o ) . a n d a d iv i d e r i s u s e d i n f e e d b a c k , i n a p p l i c a t i o n s w h e r e c l o c k m u lt ip l i c a t i o n s a r e r e q u i r e d . w e im p r o v e d t h e c i r c u i t s t r u c t u r e s i n o r d e r t o i n c r e a s e t h e fr e q u e n c y o f t h e c p p l l . t h e p f d i s b a s e d o n a n o v e l h i g h - s p e e d s t r u c t u r e w i t h o u t f e e d b a c k l o o p s , a v o i d i n g t h e d e a d z o n e . t h e c p s o u t p u t i s o n t h e d r a i n s w h i l e i t s s w it c h e s a r e o n t h e s o u r c e s o f mo s t r a n s i s t o r s , w h i c h a c h i e v e s t h e h i g h s w i t c h i n g s p e e d a n d r e d u c e s t h e e ff e c t o f t h e c h a r g e i n j e c t i o n a n d c h a r g e s h a r i n g . t h e v c o i s a r i n g o s c i l l a t o r , r e a l i z e d b y u s i n g a c u r r e n t s t e e r i n g l o g i c ( c s l ) s t r u c t u r e , w h i c h m a k e s t h e c p p l l l o w j i tt e r , h i g h s p e e d a n d l o w p o w e r . w e a l s o u s e d t h e t r u e s i n g l e p h as e c lo c k ( t s p c ) c m o s c i r c u i t t e c h n i q u e t o r e a l i z e t h e d i v i d e r , w h i c h c a n o p e r a t e o n a v e ry h i g h fr e q u e n c y . t h e c p p l l w a s i m p l e m e n t e d i n a s t a n d a r d c mo s d o u b l e p o ly d o u b l e m e t a l 0 . 6 u m t e c h n o l o g y . i t w a s s i m u l a t e d a n d a n a l y z e d b y u s i n g c a d e n c e s s p e c tr e . i t s l a y o u t a n d p h y s i c a l v e r i f i c a t i o n ( d r c / e x t r a c t e d / l v s ) w e r e f i n i s h e d b y u s in g v i r tu o s o . t h e l a y o u t a r e a o f t h e w h o l e c h ip i s 2 m m x 2 m m in c l u d i n g 2 8 p a d s . a n d t h e a r e a o f th e c o r e c p p l l i s a b o u t 4 5 0 x 4 5 0 g m 2 . t h e in p u t r e f e r e n c e s i g n a l i s 6 m h z fr o m t h e a c t i v e c ry s t a l o s c i l l a t o r a n d t h e o u t p u t i s 1 4 4 mh z . 浙江大学硕士研究生毕业论文 第一章绪言 1 . 1 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 p l l ( p h a s e - l o c k e d l o o p )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 1 7世纪， 荷兰天文学家、物理学家 c h r i s t i a a n h u y g e n s ，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” ( s y n c h r o n i z e d o s c i l l a t o r ) 的 概念 1 ， 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， h u y g e n s 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h u y g e n s 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1 9 3 0 年同步控制理论的基础也已 经得到了 建立。1 9 3 2 年法国科学家d e b e l l e s c i z e 在 “ l a r e c e p t i o n s y n c h r o n e ”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【 2 。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 1 9 4 0 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 浙江大学硕士 研究生毕 业论文 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j a ff e r 牙 a r e c h t i n e .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 3 ，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f m 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， a n d r e w j . v i t e r b i 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， l i n d s e y w . 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。 随着对锁相技术理论以及应用的广泛而深入的 研究， 锁相技术己经成为一门 比较系统的理论科学。 但是， 研究的不断深入， 科技技术的不断前进， 新的物理 现象和问题还是层出不穷， 得不到解释。因此直到现在， 世界各国科技工作者对 锁相环的理论和应用进行还在继续的进行研究， 而且锁相环原理的应用己经深入 到许多其他学科中去了，如气象学、海洋学、生物物理学、原子物理学等等。 1 . 2 国内外发展现况 在锁相环尸 比发展之初，都是由分立元器件组成的，电路复杂，调整困难。 到2 0 世纪7 0 年代， 随着半导体集成技术的日 趋成熟， 锁相环电路成为了集成电 路芯片后才开始得到了 广阔的商用。 第一块p l l 集成电 路芯片出 现在1 9 5 5 年左 右【 4 。这时的p l l全都是用模拟技术实现的。 p l l 成为了当时模拟电路设计中 的又一大模块。 之后的几年内就出现了数模混合的锁相环电路， 以及后来的全数 字锁相环电路。 这三种锁相环电路各有千秋， 相互弥补， 分别存在于各类电子产 品中。 模拟锁相环 a p l l ( a n a l o g p h a s e - l o c k e d l o o p ) 大多由四象限模拟乘法器 来构建环路中的鉴相器，环路滤波器为低通滤波器 ( 由电阻r 电容c 组成) ， 压 浙江大学硕士研究生毕业论文 控振荡器的结构多种多样。由于a p l l 在稳定工作时，各模块都可以认为是线性 工 作的 ， 所以 也 成为 线 性 锁 相 环l p l l ( l i n e a r p h a s e - l o c k e d l o o p ) 。 a p l l 对 正弦特性的信号的相位跟踪非常好， 它的环路特性主要由鉴相器的特性决定。 主 要用于对信号的调制解调。 a p l l 的理论想当完善，相关方面的资料文献丰富。 电 荷泵锁相环 c p p l l ( c h a r g e - p u m p p h a s e - l o c k e d l o o p )是数模混合 p l l 中的典型代表。其不可替代的优势在于:在理论上，可以证明c p p l l静态相位 误差为零;而且实践也证明c p p l l具有高速、低功耗、低抖动的特性，是设计 实现锁相环的一个简单、 高效的方法。 通过环路带宽、阻尼因子、 锁定范围等变 量的折中， 可以对c p p l l进行灵活的设计。 c p p l l一般用数字电路实现环路中 的 鉴频鉴相 器， 环路滤波器也是低通滤波器; 压控振荡器还是模拟电 路， 紧接着 鉴频鉴相器的电荷泵是数模电路的交界点。 它主要用于频率综合， 时钟处理等领 域，是目 前应用最为广泛的一种p l l ，本课题设计采用的也是c p p l l , 全数字锁相环 a d p l l ( a l l d i g i t a l p h a s e - l o c k e d l o o p )，顾名思义，其 环路中的所有部件都是用数字电路来实现的。 它的经典结构为鉴相器用过零检测 数字鉴相器， 环路滤波器一般用可逆计数器来实现， 振荡器则用数控振荡器( d c o ) 实现，整个电路中没有任何电阻电容。文献【 5 中提出了一种用于高速时钟产生 的全数字锁相环，它采用的不是传统的 v c o ，而是 d c o ( d i g i t a l c o n t r o l o s c i l l a t o r ) ，此外还用到一个数字脉冲放大器。a d p l l由于出现时间尚短，虽 然由于其电路中只有导通、 截止两种状态， 具有受到外界和电源的干扰的可能性 小、电路易集成、系统的可靠性高等优点，但也存在工作频率不高，结构复杂 噪声分析困难等缺点，只能用于诸如时钟恢复、位同步提取等情况下。 科技的日 新月异， 使得新结构新概念的p l l 不断的涌现。 如软件锁相环s p l l ( s o f t p l l ) 就是其中的一种。s p l l 是基于一定的硬件平台 ( 例如，微处理器、 数字信号处理器d s p 等)，通过编写程序来实现锁相环的功能。这种s p l l 具有 很大的灵活性， 因为它的算法可以 有很多种， 同一种算法也可以得到持续的改进; 利用软件， p l l 可以 实现a p l l 的功能， 也可以实现a d p l l 或者是数模锁相环的 功能 4 。 同时，由于半导体工艺的进步， 深亚微米技术的成熟， 也从另一个角度推动 了这三大类 p l l 结构的发展，使得p l l 的性能进一步提高。在 b i p o l a r , g a a s , 浙江大学硕士研究生毕业论文 工 n p , c m o s , b i c m o s 以及s i g e 等多种工艺共放光彩的i c 界中， 基于上述各种工 艺而成的p l l 都陆续面世。 相比 而言，早期的a p l l 多用b i p o l a r 工艺实现，性 能较低。由 于g a a s % i n p h b t 的晶 体管具有极高的截止频率， 利用这些工艺制成 的p l l 可以 达到很高的工作频率; 但是它们昂贵的造价、 与c m o s 工艺的不兼容、 无法实现系统集成以及工艺线的复杂度，使得这些p l l 多数局限于军工领域。 s i g e 工艺实现的p l l 是其中 最新出笼的。 由于s i g e 晶体管也具有较高的截 止频率，而成本虽比 c m o s要高，但比起 g a a s / i n p等要低很多;此外，它与 c m o s / b i c m o s工艺具有很好的兼容性，可以实现高集成度的芯片，符合 p l l“ 两 高三低”( 高速、高集成度、 低压、低功耗、低噪)的发展趋势。但是由于时p i 尚短， 还处于发展阶段， 没有得到很好的商用。 s i g e 工艺和c m o s , b i c m o s 比 较 的部分重要参数如表t o 表 1不同制造工艺的部分重要参数【 6 参数s i ge bi c m os c mosbi c mos说明 线宽 ( u m ) 0 . 3 50 l吕0 35 减小管芯面积 供应电 压 ( v ) 3 . 31 . 8 / 3 33 .3降低功率 截止频率 ( g h z ) 7 0 - 1 1 03 0 - 6 02 5 . 5 0高速 金属 464 高集成度 司用产能 0 . 01l0 . 0 5 以晶圆代工厂产能参考基准 目 前p l l 中的主流还是用c m o s 工艺实现的。低廉的成本，使得它获得了很 好的商用。 虽然c m o s 工艺本身的晶体管的截止频率不高，但是由于研究的深入 以及新结构的提出，深亚微米工艺特征尺寸的不断减小，使得c m o s p l l的总体 性能在成熟的基础上继续得以 提高， 工作频率也达到g h z 数量级。文献仁 7 采用 了0 . 3 5 h m c m o s 工艺， 实现了一个完全集成的分数频率合成器， 工作频率2 . 4 g h z , 调频范围为2 . 2 3 - 2 . 4 5 g h z , 1 6 m w e 仁 8 利用0 . 2 5 4 m晶圆 代工厂的 数字c m o s 工艺 制成了1 . 5 v 供电的5 . 5 g h z 频率的完全集成p l l 芯片。 在5 . 5 g h z 载波频率、 4 0 k h z 频率偏置下，i n - b a n d 相位噪声低至一 8 8 d b c / h z ; f r e e - r u n n i n g v c o 的相位噪声 在1 m h z 频率偏置下为一 1 1 6 d b c / h z a 9 使用0 . 1 8 u m c m o s 工艺， p l l 可以t作在 9 . 7 g h z 到1 0 . 4 g h z 间。 1 0 用0 . 1 2 t m的 标准c m o s t艺实现了 整数频率合成器， 频率达到4 . 3 g h z ，其l c - v c o 的可调范围为4 . 2 2 g - 4 . 3 4 g h z ，步进4 0 0 k h z ,仁 1 1 展现了 利用9 0 n : 的工艺制作的p l l ， 在薄/ 厚两种栅氧层厚度下， p l l 的工作频 率分别为1 3 . 9 g h z 和7 . 5 g h z ( 1 . 5 v 供电) 。 在2 . 1 v 供电时， 薄/ 厚栅氧层的p l l 浙江大学硕士研究生毕业论文 工作频率为1 7 . 3 g h z 和 1 0 . 4 g h z o 对于集成 p l l芯片， 现在市场上的高性能产品主要集中在一些国际跨国1 c 公司手中， 国内没有任何一家企业掌握高性能p l l 技术。 其中多数公司是美国的， 如国家半导体n a t i o n a l s e m i c o n d u c t o r .德州仪器t i 、高通q u a l c o m m 、安森美 o n s e m i c o n d u c t o r 、模拟器件 a n a l o g d e v i c e等，其他的有日 本公司富士通 f u j i t s u , 韩国三星s a m s u n g 公司等等。 美国国家半导体n a t i o n s e m i c o n d u c t o r 于2 0 0 3 年6 月宣布推出的 l m x 2 4 3 x 系列p l l a t i n u m 锁相环芯片，其操作频率高达 3 g h z以上，适用于无线局域网、 5 . 8 g h z室内无绳电话、 移动电话 及基站等应用方案。低功耗、超低的相位噪声 ( 正常化相位噪音可达到 一 2 1 9 d b c / h z)使其突显优势。 有 3 0多年的历史的卓联半导体 z a r l i n k s e m i c o n d u c t o r ，它的高性能模拟 锁相环可应用于光学网络设备。芯片z l 3 0 4 6 1 满足o c - 1 2 光学载波1 2 级的通信 要求 ( 速率可以达到 1 2 * 5 1 . 8 4 m b / s = 6 2 2 m b i t / s ) ， z l 3 0 4 1 4 可工作在光学载波第 1 9 2 级线路速率的光学线路卡上。 该公司芯片适用于s d h / s o n e t( 同步数字体系/ 同步光学网络) 边缘设备中的线路卡设计。 网络上该模块的价格为$ 1 0 1 . 0 5 / 模块。 富士通f u j i t s u ， 该公司的p l l 系列芯片产品主要在无线通信系统中， 设计 频率合成器， 用来产生本地振荡。 该系列产品覆盖了 很宽的频率带宽， 从1 o o m h z 到6 g h z 。富士通用的是自己的b i c m o s r f 工艺。同时它也具有相关的其他产品， 如v c o , r e s o n a t o r s 等。 该公司的p l l 共有三类可以选择: s i n g l e i n t e g e r p l l , d u a l i n t e g e r p l l - l o w p o w e r ，以及d u a l p l l ( s c c t ) - f a s t l o c k u p . 高通公司r f t 6 1 2 2 芯片是一块专用单频段蜂窝发射机芯片， 可以完成模拟基 带到射频的转换。其中集成了发射锁相环、 v c o 和接受锁相环。是首次应用射频 c m o s 制造工艺生产的c d m a 2 0 0 0 1 x 芯片组。 相比之下， 我国国内少有企业掌握高性能p l l 技术， 产品更是少见。 但在高 校如东南大学射频与光电 集成电路研究所， 在王志功教授的率领下， 射频与光电 集成电路研究所的同仁，通过参与美国mo s i s计划，设计出了拥有自 主知识产 权、 具有世界先进水平的集成电路芯片。 它们分别属于光纤传输系统中的复接器、 激光驱动器、 放大器、 时钟恢复、 数据判决和分接器的核心芯片， 形成了 完整的 系列。 这批通过鉴定的 1 1 种芯片也通过了美国m o s i s 工程的全流程验证， 速率 浙江大学硕士研究生毕业论文 达 到了 世界 范 围内0 .2 5 u m c m o s 工 艺的 最 高 速率。 这1 1 种芯 片 均 采用c m o s 工艺，比以 往采用高速b ip o l a r 或 砷化稼工艺来实 现的芯片， 具有工艺成熟、易 获得、 流片成本低、电 路功耗小， 集成度高等优势。 因此具有广阔的产业化前景。 虽 1 . 3 课题的意义和目 的 虽然p l l 技术已经发展了半个多世纪， 但是由于其应用领域的扩展， 而且高 新科技的发展对它的性能又不断提出新的要求， 所以一直以来p l l 的设计与分析 都是集成电路设计者的热点。设计者们也不断的提出新的结构和新的分析方法， 以 满足不同应用的需要。 从 4 0 年代， p l l 技术最初在改善电 视图 像清晰度方面的应用，到现在广泛 的存在于网络、通讯产品中，p l l 技术始终改善着我们的生活质量， 给我们带来 了 无限精彩的生活品质。 在高科技主宰世界的今天， 无线互联慢慢成为主流， 手 机通话、 传输数据图片以致未来实现在手机上接收流媒体视频， 全球卫星定位系 统的日益精确， 实现无线局域网wl a n乃至无线城域网wma n等等， 都对p l l 的设计和性能提出了非常高的要求，也为p l l的未来展现了更为广阔的应用舞 之 仁 二 0 尽管应用 p l l技术的产品各式各样，但从它实现的功能上来分析，主要可 以归结为以下几大方面: 1 )模拟或数字信号的相干调制、解调; 2 )数字通信中的位同步提取; 3 )自 动频率调谐跟踪; 4 )抑止信号的抖动及噪声 5 )抑止数字系统中的偏斜 6 )时钟和数据恢复c d r ( c l o c k a n d d a t a r e c o v e ry ) 7 )系统的频率合成与变换 ( 倍频、分频) ; 8 )锁相技术稳频: 9 )用作微波锁相频率源，以 及锁相功率放大器; 正如小节 盯. 2所述， 当前高 性能p l l 的核心技术主要都掌握在国 外几大公 司手中，而且 p l l一直是他们设计研究的热点。对于不同的应用，出现了各种 浙江大学硕士研究生毕业论文 各样的结构，同时 对环路进行分析的 模型理论也在不断改 进。由 于p l l是由 独 立模块组合构成的完整系统， 而各个模块的参数对整体性能都有很大的影响。 在 不同的应用场合，有经验的设计者会选用不同的结构参数的模块。相对国外对 p l l 技术的深厚积累， 国内的差距就显得很大了。 虽然有许多集成电路设计工程 师都对锁相环路有一定的了解， 但基于不同的应用和系统稳定性的考虑， 能进行 集成锁相环路的设计工程师并不在多数， 而且国内相关集成锁相环路的书籍、 资 料也是非常的缺乏， 很多理论资料都没有考虑到实际应用条件或没有和实际工艺 相结合，缺少实际应用的积累。 诚然，我国的i c 产业与国外先进国家之间存在着极大的差异，但是这一点 已 经引起了国家的重视。在国家的政策方针的导向下，一批具有一定的先进性、 相当 产能的i c 工艺制造生产线先后投产。 中 兴国际s m 工 c 、 先进a s m c 、 华虹一 n e c , 华润一华晶c s m c ， 乃至全球第一的f o u n d r y 台积电t s m c 也入驻上海， 合舰亦在 苏州成立， 美国杰智j a z z 带来了s i g e 生产工艺都从相当程度上推动了我国 i c 制造业的快速发展，也表明了我国i c 产业日 益受到关注。同时在 i c 设计能 力落后于生产能力的状况下， 7 大i c 集成电路设计中心相继在全国范围内成立。 m p w 多晶圆项目的广泛开展，也都为我国i c 设计水平的提高提供了平台。 目 前， 国内的企业或产品中用到p l l 的， 多是购买国外知名企业或者生产线 上的现成的p l l 核。当然， 对于企业来讲有成本方面因素， 但是， 对于一个国家 来讲，不能掌握其核心的技术， 那么就不能抢占信息技术的制高点。 本课题参加上海集成电路设计研究中心 i c c提供的m p w计划，利用计划中 c s m c 提供的0 . 6 微米双层多晶硅双层金属d p d m 的标注c m o s 工艺。 浙江大学硕士 研究生毕业论文 第二章锁相环系统原理概述 发展到今日，锁相环 p l l技术已经成为了一门系统的理论科学。p l l作为 自 动相位控制电路， 实现它的集成电路芯片依赖于对信号系统、 控制理论、电路 结构以及制造工艺等的了解和掌握。本章将对 p l l系统的基本原理和相关内容 进行一个概述。 2 , 4 , 1 2 - 1 8 1 2 . 1 p l l 系统的基本结构和原理 锁相环p l l 是一个相位负反馈系统， 它是通过比 较输入信号和一个振荡器的 输出信号的相位， 取出与这两个信号的相位差成正比的电压作为误差电压来控制 振荡器的频率，达到使其与输入信号频率相等的目的。 p l l的原理是从a p l l的基础上逐步发展起来的。 最简单的结构如图2 . 1所 示 4 1 ，由 鉴相器p d ( p h a s e d e t e c t o r ) 、 环路滤波器l f ( l o o p f i l t e r )以 及压控 图2 . 1 ( a ) p l l电 路结构图 ( b ) v c o的 传输函 数 c ) p d的 传输函 数 ( u f 一 控 制电 压 ， w 2 - v c o 输出 信 号的 角 频 率 ， 风- p d 输出 信 号的 平均 值 ， 0 e 一 相 位 误 差) 浙江大学硕士研究生毕业论文 振 荡 器v c o ( v o lt a g e c o n t r o l le d o s c il la t o r ) 组 成。 其中u , (t ) 是 参 考 输 入 信号， w , 是它的角频率; u 2 ( t ) 是v c o的 输出 信号，w 2 是它的角频率; u d ( t ) 是鉴相 9的 输出 信号; o f ( t ) 是 环路 滤波 器的 输出 信号 ; 信号u , ( t ) 和u 2 ( t ) 的 相位差定 义为系统的相位误差。决定了v c o的。 2 值，即 w 2 ( t ) =w o + k v c o o f ( t ) ( 2 . 1 ) 。 。 是v c o的中心频率， k v c o 是v c o的 增益， 单位为: a d s - i v - 1 。 等式( 2 . 1 ) 可以 用图2 . 1 ( b ) 来表示。 鉴相器p d可以 视作为相位比较器，相位误差b e 的 大小决定了p d输出信号的值， 它的输入输出关系可以用等式 2 .2 ) 来表示， 其 中。 e = 9 。 一 。 2 ， 特性曲 线如图2 . 1 ( c ) 所示， 其中k p d 代表的是p d的 增益值， 单 位 是v r a d -1 。 虽 然p l l 实 际 上 是 一 个 非 线 性 工 作 的 电 路， 但是 在 它 稳定 或 趋 于稳定的一个范围内，我们都可以 把它视作线性系统来分析。 u d ( t ) = k p d 6 e ( 2 .2 ) 图2 .2 是p l l系统中各模块信号在工作时的瞬态相应情况。据此图，p l l u ， ( 幻 ro , 图2 .2输入微小变化时p l l的瞬态响应情况 ( a ) 参 考 信 号u , ( t) ( b ) v c o 的 输出 信 号u 2 ( t ) ( c ) 凡、9 e 随 时 间 的 函 数 ( d ) u , ( t ) 的角 频率。 2 随 时间的 函 数( e ) u , ( t ) 的 角频率。 : 随时 间的函 数 浙江大学硕士研究生毕业论文 的 工作 情况 概 述如下。 当 参考输入 信号u , ( t ) 的 角频率为。 。 时p l l 稳定 工作， 则 v c o工作在中 心频率， 环路相位误差0 e 为。 ， p d的 输出u d以 及o f 也均为0 . 在t 。 时刻， 假定参考输入信号u , ( t ) 的 频率发生变化， 增加了 。( 如图2 .2 e 所示) ，则p l l系统会通过输入信号的相位情况来改变输出信号的相位值。如 图2 .2 c ， 随着 。 的出 现， 产生了 相位误差氏# 0 ， 导致p d的输出u d 也 跟着变 化。 这个变化量经过环路滤波器， 使得u f 也不再为0 ， 而逐步增加 ( 如图2 .2 d ) . 同时由 于滤波器的作用， 使得u f 和u d 间存在一个延时。 u f 的增加直接导致v c o 频率发生变化， 输出相位也随之变化。 系统的负反馈调节环路向着稳定的方向运 作，促使。 e 越来越小。经过一段时间后，v c o的工作频率。 2 会和输入信号的 频率。 1 取得相同的值。根据环路滤波器不同的类型，p l l系统最后的相位误差 将为零或一个固定的有限数值， 但参考输入信号和v c o的输出信号都是相同的。 因 而， 锁相环p l l 实现的是一个同步相位的控制。 2 . 2 p l l 系统中的重要概念和主要参数 锁相环在一定范围内可以视作线性系统， 但是从它工作的整个过程来看， 是 一个非线性的系统，接下来我们将通过对 p l l系统中出现的一些重要概念和主 要参数的分析，来进一步阐述p l l系统的运作。 夸 2 . 2 . 1 p l l的工作状态 在 2 . 1 节中， 我们所看到的是p l l 的自 身控制作用之一自 动跟踪过程， 此外还有一个捕获过程。另外， 锁相环p l l还有其他2 种基本工作状态锁 定和失锁。 d锁定状态: 整个环路己 经达到了输入信号相位的稳定状态。 它指输出 信号相位等于输入信号相位或是两者存在一个固定的相位差， 但频率 相等。在锁定状态时，压控振荡器的电压控制信号应该接近平缓。 1 1 )失锁状态: 环路的输出 在一个与输入信号的频率之差不为零的稳定状 态或是一个不停的振荡状态都称为失锁状态。当环路的结构设计有问 题的时候，或是输入信号没有满足系统要求的时候都会进入这个状 态。这个状态意味着环路没有正常工作。 1 1 1 ) 捕获过程: 是指环路由 失锁状态进入锁定状态的过程。 这个状态表明 浙江大学硕士研究生毕业论文 环路已经开始正常工作，但是还没有达到锁定的稳态。此过程应该是 一个相位误差不断减少的过程。 i v )自动跟踪过程：是指p l l 环路处于锁定状态，若此时输入信号频率或 相位发生变化，环路能通过自动调节，来维持锁定状态的过程。由输 入信号频率或者相位的变化而引起的相位误差一般都不大，环路可视 作线性系统。 p l l 的这四种工作状态，前两者为静态，后两者是动态的。优秀的设计可以 使p l l 在上电后立刻进入捕获状态，从而快速锁定。 2 2 2p l l 的主要参数 如2 2 i 节中所述的p l l 的四种状态，有以下一些参数指标来衡量p l l 系 统的性能： 快捕带l o c kr a n g e a c o l ：环路可以在一个周期以内快速锁定，实现 捕获过程。能实现快捕的最大输入固有频差称为快捕带。 捕捉带p u l l i nr a n g ea p ：环路仍然可以锁定，但是捕获过程要比在 快捕带时需要更多时间。在这个范围内，随着捕获过程的进行，v c o 的频率向着输入信号频率方向牵引，使得p d 输出的信号的频率逐渐 降低，环路滤波器输出的控制电压变动。这样经过几个循环，然后环 路通过快捕过程达到锁定。 输入信号最大跳变值p u l l - o u tr a n g e a c o p d ：p l l 稳定工作时的动态极 限值。也就是说p l l 在稳定工作状态时，输入信号的跳变要小于这 个参数，才能快速锁定。若输入信号的跳变大于该参数而小于捕捉 带，则环路还是能锁定，但需要较长的时间。 同步带h o l d - i nr a n g e a c o 。：环路能保持静态锁定状态的频率范围。 当环路锁定时，逐步增大输入的频率差值，环路最终都能保持锁定的 最大输入固有频差称为同步带。 ( 注释，固有频差是指输入信号频率与环路自由振荡频率之差，自由振荡频率是指环路 在没有输入时v c o 正常工作的中心频率，即uo ) 以上四个重要参数都是对p l l 频率方面性能的定义，它们相互之间的大小 浙江大学硕士研究生毕业论文 关系可以用图23 来表示。其中( i ) 。是v c o 的中心频率，图中的c o n d i t i o n a ls t a b l e 意味着该范围内只要符合一定的条件，p l l 是可以达到稳定的；而d y n a m i c a l l y u n s t a b l e 指该范围内p l l 在动态时是不稳定的，可能进入失锁状态。 图2 3 线性2 阶p l l 稳定性的动静态极限参数范围 由图2 | 3 可见捕捉带总是小于同步带的。同步带是环路的静态特性，测同步 带时，从锁定状态出发，输入固有频差 从零开始逐步增大，环路一直处于锁 定状态。而在测捕捉带时，环路是处于失锁状态的，输入固有频差a c o , 从很大值 开始逐步减小。 衡量p l l 性能的其他重要参数还有： 锁定时间l o e k t i m e t l ：p l l 快速锁定所需的时间。 捕获时间p u l l - i nt i m et p ：p l l 捕获过程所需要的时间。 相位抖动j i t t e r ：考评p l l 噪声性能的参数。它又主要有三种类型： 1 ) c y c l et oc y c l e j i t t e r ；2 ) a c c u m u l a t e d j i t t e r ( c y c l e j i t t e r ) ：3 ) d u t yc y c l e d i s t o r t i o nj i t t e r 。 中心频率c e n t e rf r e q u e n c y ： 在设计p l l 过程中，还需要考虑到p l l 的设计指标，如p d 的增益k p d ， v c o 的中心频率