基于电感电容振荡器的电荷泵锁相环的设计_图文

1、集 成 电 路 设 计 与应 用 IC Design and ApplicationDOI :10. 3969/j.issn. 1003353x. 2011. 06. 00936No. 6451基金 项 目 :国 家 重 大 专 项 资 助 项 目 (2009ZX03007-002-03 ; 国家 自然 科学 基金 资助项目 (60801045基于 电 感 电 容振荡 器 的 电 荷泵锁 相 环 的 设计袁莉 , 周 玉 梅 , 张锋(中国科学院 微电子研究所 , 北京 100029摘要 :设计 并 实现 了一 种采 用电感电 容 振荡 器 的电 荷 泵锁 相 环 , 分 析 了 锁 相 环中

2、 鉴 频 /鉴 相 器 (PFD 、 电 荷 泵 (CP 、 环 路滤波 器 (LP 、 电感电 容压 控 振荡 器 (VCO 的电 路 结构和 设 计考虑 。 锁 相 环 芯 片 采 用 0. 13m MS RF CMOS 工艺 制 造 。 测试结果表明 , 锁 相 环 锁 定的 频 率 为 5. 6 6. 9GHz 。 在 6. 25GHz 时 , 参 考 杂 散 为 51. 57dBc ; 1MHz 频 偏 处 相 位 噪 声 为 98. 35dBc /Hz; 10MHz 频 偏 处 相 位噪声 为 120. 3dBc /Hz; 在 1. 2V /3.3V 电 源 电 压 下 , 锁 相

3、环 的 功耗 为 51. 6mW 。 芯 片 总 面 积 为 1. 334mm 2。关键词 :锁 相 环 ; 电感电 容 振荡 器 ; 电 荷 泵 ; 鉴 频 鉴 相器 ; 环 路滤波 器 中 图 分 类号 :TN752; TN432文献标识码 :A文章 编 号 :1003353X(2011 06045104Design of Charge Pump PLL with LC VCOYuan Li , Zhou Yumei , Zhang Feng(Institute of Microelectronics , Chinese Academy of Sciences , Beijing 1000

4、29, China Abstract :A charge pump phase locked loop (PLL with LC voltage controlled oscillator (VCO was presentedThe circuit structures of the frequency /phasedetector , charge pump , loop filter and LC VCO were analyzed and the design consideration was givenThe chip was fabricated in 0. 13m MS RF C

5、MOS technologyThe test results show that the PLL operates at 5. 66. 9GHz ,and the phase noise of 98. 35dBc /Hzat 1MHz offset and 120. 3dBc /Hzat 10MHz offset is achievedWhen the frequency is 6. 25GHz , the reference spur is 51. 57dBcThe PLL chip occupies 1. 334mm 2, exhibites a power consumption of

6、51. 6mW at 1. 2V /3.3V power supplyKey words :phase locked loop ; LC oscillator ; charge pump ; frequency /phasedetector ; loop filter EEACC :1230B ; 2570D0引言近年来 , 随 着 集 成 电 路 性能的 不 断 提 高和 网 络技术的日益发展 , 数据 交 换 量 越 来 越 大 , 数据 传 输 速 率 越 来 越 高 , 高 速 数据 通 信 系 统对 时 钟 的性能要 求 也日益 提 高 。 在高 速 串 行 通 信 系 统 中 ,

7、通常利用 锁 相 环 来为高 速 串 行 接口 的发 送 器和 接 收 器 提 供 精 确 的 时 钟 信号 。 锁 相 环 是高 速 串 行 收 发器中 一 个 非常 重要的 模 块 , 其 时 钟 信号 的 抖 动 会 直 接 转 化为 串 行 数据 的 抖 动 和 接 收 端 采 样 时 钟 的 抖 动 。 因此 , 锁 相 环 性能 直 接 影响 到 发 送 器的 速 度 和 抖 动 、 接 收 器 的 误码 率 等 重要 指 标 。常用 的 压 控 振荡 器有 环 形 振荡 器和电 感 电 容 振 荡 器 两种 。 采用 环 形 振荡 器的电 荷 泵 锁 相 环 很 难 工 作 到

8、数 吉赫兹 , 而且 环 形 振荡 器的 开 关 非 线 性 效 应 很 强 , 受 电 源 /地 的 噪声 影响 很 明 显 , 相 位 噪声 性 能 较 差 。 本 文 采用 互 补 差 分 驱动 结构的电 感 电 容 振荡 器 , 实 现 了 一 款 高 频 率 宽 工 作 范 围 的电 荷 泵 锁 相 环 。袁莉 等 :基于 电感电 容 振荡 器 的电 荷 泵锁 相 环 的 设计 366期2011年 6月1电 荷泵锁相环 的 电 路 设计1. 1锁 相 环 的 总体 结构锁 相 环 主 要 包括 鉴 频 /鉴 相器 (PFD 、 电 荷 泵 (CP 、 环 路 滤 波 器 (LP 、

9、压 控 振 荡 器 (VCO 和 分频 器 (DIV 等 模 块 , 如图 1所 示 。图 1锁 相 环总 体结构 Fig. 1Block diagram of PLL锁 相 环 电 路 在 启 动时 处 于 “ 失 锁 ” 状 态 。 此 时 , 分频 器 分频后 的 输 出 频 率 与 参考 时 钟 的 频 率 无 关 。 鉴 频 /鉴 相器比 较 参考 时 钟 的 上 升 沿 与 分频 器 输 出 时 钟 的 上 升 沿 之 间 的相 位 差 , 然 后 将 这 个 相 位 差 信 息 输 出 给 电 荷 泵 。 电 荷 泵 根 据 鉴 频 /鉴 相器 给 出 的相 位 差 , 控 制一

10、 定 量 的 净 电 荷 流 入 或流出 环 路 滤 波 器的 积分 电 容 , 得到 一 个 直 流 控 制 电 压 。 压 控 振荡 器 根 据 直 流 控 制 电 压 的大 小 调 整 振荡 频 率 , 使 分频后 的 时 钟 与 输 入 时 钟 的 频 率 和相 位 逐渐 趋 于 一 致 , 锁 相 环 达 到 “ 锁 定 ” 状 态 。 1. 2鉴频 /鉴 相器鉴 频 /鉴 相器比 较 参考 时 钟 Fref 和 压 控 振荡 器 分频 反 馈 时 钟 Fdiv 的相 位 差 , 产 生 用 来 控 制 电 荷 泵 上 下 电 流 开 关的 UP /DW信号 , 如图 2(a 所 示

11、1。 当 输 入 相 位 差 在 2 2时 , 鉴 频 /鉴 相器的 UP /DW信号 脉 冲 宽 度 与相 位 差 成正 比 , 在 锁 定 过 程 中 使压 控 振荡 器 振荡 频 率 逐渐 逼 近 锁 定 范 围 。 当 Fref 和 Fdiv 的相 位 差 很 小 时 , 如果 鉴 频 /鉴 相器的 输 出 脉 冲 过 窄 , 那么 电 荷 泵 不 能 完全 打 开 , 环 路 增益 降 为 零 , 锁 相 环 相 位不 能 锁 定 ; 如果 鉴 频 /鉴 相器的 输 出 脉 冲 过 宽 , 则 会 有 过 多的电 荷 泵 噪声 注 入 环 路 滤 波 器 。 为了 避免 死 区 ,

12、可以通过 在 复位 路 径 上 添 加 延 时 电 路 , 保 证 输 入 相 位 差 很 小 时 , 电 荷 泵 也能 够 正 常 工 作 。 另一方面 , 复位 路 径 延 时 会 降 低 鉴 频 /鉴 相器的 鉴 相 范 围 和最大 工 作 频 率 , 增 加 电 荷 泵 的 噪声 贡献 , 因此应 该 综 合 考虑 鉴 频 /鉴 相器的 鉴 相 范 围 、 鉴 相 死 区 、 最大 工 作 频 率 和 噪声 贡献 , 设 计 复位 路 径 上 的 延 迟 时间 。 Fref 和 Fdiv 的相 位 差 为 零 时 , 鉴 频 /鉴 相器 输 出 的 UP /DW信号 仿 真 结 果如图

13、 2(b 所 示 。1. 3电 荷泵 和 环路滤 波器电 荷 泵 是 锁 相 环 中的关 键 模 块 , 是 影响 锁 相 环参考 频 率杂散 水 平 的 主 要因 素 。 电 荷 泵把 PFD 输 入 信号 的相 位 差 转 换 成 与 其 成 比 例 的 输 出 总 电 荷 。 鉴 频 /鉴 相器 产 生 的 UP /DW信号 用 来 控 制 电 荷 泵上 下 电 流 的 开 关 , 对 环 路 滤 波 器 充 电 或 者 放 电 2。电 荷 泵 电 路 结构 如图 3(a 所 示 。 充 电 时 ,UP 和 DWB 为高电 平 , UPB 和 DW 为 低 电 平 , 电 荷 泵 通过

14、镜 像 电 流 管 M P1, M P2和 开 关 管 M P4对 环 路 滤 波 器的电 容充 电 。 放 电 时 , UP 和 DWB 为 低 电 平 , UPB 和 DW 为高电 平 , 电 荷 泵 通过 镜 像 电 流 管 M N1, M N2和 开 关 管 M N4对地 放 电 。 为了 减 小 上 下 电 流 的 失 配 , 采用低 压 共 源 共 栅 电 流 镜 结构 , 并袁莉 等 :基于 电感电 容 振荡 器 的电 荷 泵锁 相 环 的 设计 36No. 6453且采用 单 位 增益 放 大器 箝 位 输 出 结点 VB 和 镜 像 节 点 VF 的电 压 。 为了 更 好

15、地 抑 制 压 控 振荡 器 控 制 电 压 上 的高 频 成 分 , 减 小 其 纹 波 , 环 路 滤 波 器 采用 三 阶 无 源 滤 波 器 。 环 路 滤 波 器的 参 数 直 接 影响 锁 相 环 的 系 统 稳 定 性和 环 路 带宽 。 在 锁 相 环 系 统 设 计 中 , 分 析 锁 相 环 的 线 性 模 型 和 噪声 模 型 , 根 据 参考 时 钟 的 频 率 和 系 统对 建 立时间 的要 求 , 选择 合 适 的 环 路 带宽 和相 位 裕 度 ; 并 综 合 考虑 电 荷 泵 的 充 放 电电 流 、 压 控 振荡 器的电 压 调节 增益和 分频 比的大 小 ,

16、 进 而可以 确 定 环 路 滤 波 器中 各 个 电 阻 电 容 的 取 值 。本 文 的 环 路 滤 波 器 采用 片 内 方 式 实 现 , 因此也 要 充 分 考虑 环 路 滤 波 器中 各 个 器件 所 占 的 面 积 , 以 及对杂散 噪声 的 贡献 , 进 一 步 对 参 数 进行 优化 。 仿 真 得到 锁 相 环 开 环 传 输 函 数 的 带宽 为 800kHz , 相 位 裕 度 为 59. 9 , 如图 3(b 所 示 。 1. 4电 感 电 容振荡 器常用 的电 感 电 容 振荡 器的结构有 单 NMOS 管驱动 、 NMOS 和 PMOS 互 补 管 驱 动 , 如

17、 图 4所 示35。 在相 同 尾 电 流 的 条 件 下 , 互 补 差 分 驱动 结 构的电 感 电 容 振荡 器具有最 好 的相 噪 特 性 。 互 补 差 分 结构 可以 在 很 大 程 度 上 抑 制 共 模 噪声 的 影响 ; 互 补 结构 输 出 信号 的 上 升 和 下 降 时间 基 本 相 等 , 可以减 小 振荡 器的 噪声 6。本 文 采用 互 补 差 分 结构的电 感 电 容 振荡 器 , 如 图 4(b 所 示 。 VCO 的电 压 调节 增益 K VCO =d f out /d V ctrl , 直 接 反 映 VCO 输 出 频 率 f out 对 调节 电 压

18、V ctrl 的 敏 感 度 , 并 且 影响 锁 相 环 的增益和 稳 定 性 , 以及 相 位 噪声 性能 。 K VCO 越 大 , 相 噪 特 性 越 差 。 由 于 CMOS 工艺 的电 容 、 电 感 具有 较 大的 绝 对 偏 差 , 需 要 VCO 具有大的 频 率 调节 范 围 。 为了 使 VCO 兼 具 较低 的增益和 较 大的 频 率 调节 范 围 , 增 加 开 关电 容 阵列 来 调节 VCO 的 振荡 频 率 。 交 叉 耦 合 晶 体 管沟 道长度 选 用 工艺 允 许 的最 小 尺寸可以减 小 引 入 的 寄 生 电 容 , 而 适 当 增 加 晶 体 管 的

19、 沟 道长度 , 可以减 小 交 叉 耦 合 晶 体 管 的 1/f 噪声 , 因此 根 据 仿 真 优化 耦 合 管 的 尺寸 , 并 注 意 使 NMOS 晶 体 管 和 PMOS 晶 体 管 的 跨 导 一 致 。 为了 降 低 VCO 的相 噪 , 需 要 折 中 设 计 尾 电 流 的大 小 和 尺寸 , 并 采 取 尾 电 流 滤 波 技术 进 一 步 减 少 尾 电 流 噪声 对 VCO 相 位 噪声 的 贡献 。袁莉 等 :基于 电感电 容 振荡 器 的电 荷 泵锁 相 环 的 设计 366期 2011年 6月 图 5是 仿 真 得到 的电 感 电 容 振荡 器的 f-V 曲线

20、 。图 5电 感 电 容 振荡 器的 f-V 仿 真 曲线Fig. 5Simulation f-V curves of LC VCO2版图 设计和 整 体 仿真 结果锁 相 环 的 版 图 设 计 对 其 性能 至 关重要 。 在 版 图设 计时 , 应 充 分 考虑 到 电 源 分 配 、 各 模 块 布 局 、 模拟 和 数 字 电 路 的划 分等 因 素 。 对模 拟 和 数 字 电 路 采用 单 独 的电 源 和 地 , 尽 量 使 用 高 层 金 属 来 分 布 电 源网 络 , 并 且 添 加 去 耦 电 容 滤 除 电 源 上 的高 频分 量 ;合理 规划 版 图布 局 , 将

21、互 联 的 模 块 靠 近 以减 小 路 径延 迟 , 例 如 在 鉴 频 /鉴 相器和电 荷 泵 的 版 图 中 , 保证 控 制 信号 UP , UPB 和 DW , DWB 到 达 电 荷 泵 开关 管 栅 极 的 连 接 路 径 对 称 一 致 ; 对 敏 感 电 路 和 信号进行 “ 屏蔽 ” , 防 止 串 扰 ; 使 差 分 信号 线 的 走 线 对称 一 致 , 保 证 锁 相 环 高 频 信号 的性能 。本 文 采用 0. 13m MS RF CMOS 工艺 实 现 。整 个 电 荷 泵 锁 相 环 芯 片 面 积 为 1. 334mm 2, 其 版 图如图 6所 示 。图

22、6整 体 芯 片 版 图Fig. 6Layout of PLL chip芯 片 性能 通过 在 PCB 板 上 绑 定 裸 片 的 方法 进行 测 试 , 利用 信号 分 析仪 测 试 锁 相 环 的 频 谱 特 性和相 位 噪声 。 测 试 结 果 表 明 , PLL 锁 定 的 频 率 为 5. 6 6. 9GHz 。 图 7所 示 为 6. 25GHz 时 , 输 出 信号 的 频 谱 曲线 和相 位 噪声 , 此 时 参考 杂散仅 为 51.57dBc , 1MHz 频偏 处 相 位 噪声 为 98.35dBc /Hz, 10MHz 频 偏 处 相 位 噪声 为 120.3dBc /H

23、z。3结论本 文 采用 0. 13m MS RF CMOS 工艺 设 计 了 一 款 高 频 率 宽 工 作 范 围 的电 荷 泵 锁 相 环 。 该 锁 相 环 采用 互 补 差 分 结构的电 感 电 容 振荡 器 。 测 试 结 果 表 明 , 锁 相 环 锁 定 的 频 率 为 5. 6 6. 9GHz 。 在 6. 25GHz 时 , 参 考 杂 散 仅 为 51. 57dBc ; 1MHz 频偏 处 相 位 噪声 为 98. 35dBc /Hz; 10MHz 频偏 处 相 位 噪声 为 120. 3dBc /Hz; 在 1. 2V /3.3V 电 源 电 压下 , 锁 相 环 的 功

24、 耗 为 51. 6mW (不 包括 输 出 缓冲 器 。 芯 片 总 面 积 为 1. 334mm 2。(下 转 第 473页 刘 如 青 等 :Ku 波段单 片 功 率 放 大 器 设计 与 制作 36No. 6473图 9输 入 驻 波 实测 与 仿 真 对 比 曲线Fig. 9Comparison of measured curve with simulated cruve of the input voltage standing wave ratio由 图 7 9曲线 可 见 :在 12. 5 15. 0GHz 范 围内 , 脉 冲 饱 和 输 出 功 率 的 实测 值 为 34.

25、 7 35. 5dBm , 实测 值 较 仿 真 值 低 约 0. 3dBm ; 实测 的 功 率 附 加 效率 为 31% 33. 5%, 整 体 上 实测 值 较 仿 真 值 低 2 5个 百 分 点 ; 实测 输 入 驻 波 比 小于 2 1, 较 仿 真 值 略 大 。 造 成 这种 差 距 的 主 要 原 因在 于 :功 率 单 片 电 路 结构 比 较复杂 , 元 件 较 多 ; 制 作 过 程 中 工艺 参 数 的 波 动 ; 大 信号 非 线 性 模 型 的 精 度 误 差 ; 测 试时同 轴 与 微 带 线 之 间 的 转 换 存在 较 大 插 损 。5结论本 文 所 介 绍

26、 的 Ku 波 段 功 率 放 大器 芯 片 采用 0. 25m GaAs PHEMT 工 艺 制 作 , 芯 片 在 12. 5 15. 0GHz 内 , 脉 冲 饱 和 输 出 功 率 大 于 34. 7dBm , 功 率 附 加 效率 大 于 30%, 功 率 增益大 于 19. 7dB , 芯 片 实测 的性能 指 标 与 仿 真 结 果 比 较 接 近 , 达 到 了 预期 目 标 。参考文献 :1KOMIAKJ J , WENDELL K , NICHOLS KHigh efficiencywide band 6to 18GHz PHEMT power amplifier MMIC

27、 C Proceedings of Microwave Symposium DigestWashington , USA , 2002:9059072BARNES A R , MOORE M T , ALLENSON M BA618GHz broadbandhighpowerMMICforEWapplications C Proceedings of Microwave SymposiumVancouver , CA , USA ,1997:142914323中 国 集 成 电 路 大 全 编委会 微 波 集 成 电 路 M 北 京 :国 防 工业 出 版 社 , 20004BAHL I ,

28、BHARTIA PMicrowave solid state circuit designM Second EditionUSA :John WileySonsInc , 20025李 润 旗 , 李国 定 , 陈 兆 清 , 等 微 波 电 路 CAD 软 件应 用 技 术 M 北 京 :国 防 工业 出 版 , 19966ROBERTSONI D , LIUSYSZYN SRFIC and MMIC designand technology M London :The Institution of Electrical Engineers , 20017李 效 白 砷 化 镓微 波 功 率

29、 场 效 应 晶 体 管 及 其 集 成 电 路M 北 京 :科学 出 版 社 , 1998(收稿 日 期 :20110221作者简介 :刘 如青 (1978 , 女 , 河 北 保 定 人 , 工 程 师 , 主 要 从 事 GaAs 微 波 单 片 集 成 电 路 设 计 工 作 櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶。(上 接 第 454页 参考文献 :1矫 逸 书 高 速 串 行 接口 关 键 技术研究 D 北 京 :中 科院 微 电 子 研究 所 ,2010:90932LEEJ S , KEEL M S , LIM S I , et alCharge pump withper