一种用于锁相环的压控振荡器的设计

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独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果 近我所知 除文中已标明引用的内容外 本论文不 包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果 对本文的研究做出 贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 日期 沈乐丰
高性能 低成本的发展趋势 这些发展需求推动了压控振荡器设计要不断突破今天在 各方面所受限制 设计出新的压控振荡器来 各设计单位对压控振荡器的设计和研究 一直以来都很活跃 在性能上 设计出高振荡频率 宽频率范围 低温度漂移 低相 位噪声的振荡器一直是设计者的目标 电路形式上 为了满足小型化的要求 单片集 成的压控振荡器成为主流 在很多移动设备中 压控振荡器已经和系统的其他部分集 成在一起了 工艺选择上 从七十年代以来 由于对MOS管基本理论和制造工艺的深 入研究 加上电路设计技术和工艺技术的不断进步 MOS集成电路得到了迅速的发展 其中CMOS工艺因为它的高集成度 艺 据统计2003年 低功耗 低成本等特点已成为集成电路的主流工 因此本文将基于CMOS工
e的误差电压ud(t)
的作用是滤除误差电压ud(t)中的高频成分和噪声 以保证环路所要求的性能 统的稳定性 压控振荡器受控制电压uc(t)的控制 频率接近 也就是使差拍频率越来越低
使压控振荡器的频率向参考信号的
直至消除频率差而锁定[3][4] 交换机作为比较大的通信系统 有多处要用
锁相技术的最大作用是稳频和同步 锁相环进行数据时钟的稳频和同步
1
信号之间的相位差减至最小
最简单的锁相环方框图如下所示
u (t)
1
鉴相器
u (t)
d
环路滤波器
u (t)
c
压控振荡器
u (t)
2
图1-1 锁相环系统方框图 锁相环有三个基本部件 压控振荡器 VCO ,鉴相器 PD 和环路滤波器 鉴相 器是相位比较装置 有时也叫做相位比较器或相敏检波器 信号u1(t)的相位进行比较 产生对应于两信号相位差 它把输出信号u2(t)和参考 环路滤波器 增加系
到了四十年代末 第一个双极型晶体管在贝尔实验室诞生 晶体管很快取代电子 管成为振荡电路的有源器件 这极大地改变了振荡器的实现技术和已经建立的振荡器 拓扑结构 在这期间变容二极管的应用对VCO的发展具有重要意义 变容二极管本质 上是个反偏的PN结 它的结电容可以随外加电压的改变而变化 用变容二极管作压控 器件 改变其控制电压就可实现VCO振荡频率的调节 这样 晶体管 变容二极管和 其他无源元件就构成了分立式的晶体管VCO 这种晶体管VCO不再需要对电路中的电 感或电容进行机械的调节 代之的是振荡频率的电子调谐 而电子调谐可以实现对频 率源信号精确的电子控制 的 与电子管VCO 相比较 在锁相环(PLL)电路发展过程中起到的作用也是不可估量 晶体管VCO具有电子调谐 体积小 成本低 功耗小
2
1.2 压控振荡器的发展状况
压控振荡器的发展和其他电子产品的发展一样经历了电子管 之路 上世纪初 Armstrong 首先发明了电子管振荡器 晶体管 单片集成
经Hartley改进电路设计制造
出了以他自己名字命名拓扑结构的振荡器电路
并用电子管实现了第一个压控振荡
器 在他制造的振荡电路中 他将电子管作为放大器使用 并用电感反馈产生了一个 再生振荡 振荡器的频率是由线圈电感和电路电容决定的 振荡频率调节是通过改变 振荡电路中电感器或电容器的参数值来进行的 Hartley振荡器电路很快在发射机中普 及起来并在第一次世界大战中得到大范围应用 同时代有很多其他科学家也对电子管 振荡电路开展了大量的研究 Pierce等经典振荡电路结构 今天仍在沿用的Hartley Colpitts Clapp Armstrong 就是当时的研究成果[5]
作为锁相环中的压控振荡器
设计要考虑与系统整体相配合的性能参数
率 频率变化范围 频率的稳定度 相位噪声 压控的线性度等等 为了满足通讯所 提的技术要求,本课题将用CMOS电路构建一个高性能多谐压控振荡器 在这个电路
中 振荡器可以在很宽的频率范围内线性的工作 较低的相位噪声 较低的电源抑制 比和较好的温度稳定性
华中科技大学 硕士学位论文 一种用于锁相环的压控振荡器的设计 姓名：沈乐丰 申请学位级别：硕士 专业：微电子与固体电子学 指导教师：刘三清 20050429
摘
要
随着现代通讯技术的发展 电子设备对压控振荡器的要求越来越高 传统的压控 振荡器功耗高 稳定性差 频率范围窄并且难以集成 本论文采用 CMOS 工艺 设计
I
1
绪Байду номын сангаас
论
应用时常常要求振荡器产生的信号频
振荡器一般作为信号源在电子系统中应用
率是可调的 即输出的振荡频率是输入的控制信号的线性函数 其中输入控制信号常 常为电压信号 我们把这一重要类型的振荡器称为压控振荡器 VCO 压控振荡器
VCO 作为信号产生源的关键部件应用十分广泛 在程控交换机 移动终端 卫星 通信 导弹制导系统 数字无线通信 光学多工器 光发射机和其他电子系统中 压 控振荡器都占有重要地位[1][2] 随着通讯工业的迅速发展特别是无线通讯技术的兴起 电子系统延续了小型化
2005 年 5 月 11 日
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本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许 论文被查阅和借阅 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文 保密 本论文属于 不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名 沈乐丰 日期 2005 年 5 月 11 日 指导教师签名 刘三清 日期 2004 年 5 月 11 日 在______年解密后适用本授权数
本芯片基于 1.2um CMOS 2P2M C12DDR 工艺进行设计
我们利用 Cadence 公司的仿真工具 Analog Artist 对电路进行了分析仿真 而对仿真 的结果分析表明 本文论述的压控振荡器能够达到设计的要求
关键词
振荡器
带隙基准
温漂
电源抑制比
噪声
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ABSTRACT
With the development of modern communication technology, more and more requires in electronic equipment are brought to voltage controlled oscillator. In classic vco , it has high consume, poor frequency stability, narrow frequency range and it is hard to integrate. This article is concerning a monilithic integrated vco circuit which has high frequency stability and wide frequency range. It can be applied in lock loop circuit and meets needs of communication equipment. This oscillator is a constant-current relaxation oscillated component. The circuit is composed of four parts: band gap module, current source module, control-voltage-input module and current control oscillator module. A zero temperature coefficient voltage reference is achieved in band gap module. The current controlled oscillator is an improved structure based on emitter coupled relaxation voltage controlled oscillator. The circuit is symmetric configuration, and this helps to decrease noise effect. With particular emphasis on this two module optimized, the output frequency of oscillator is not depended on device parameter. This helps to minimize the effect of temperature drift in frequency. Independence output frequency make the vco steady. This design is based on 1.2um CMOS C12DDR process. By using the EDA tools Analog Artist of Cadence Design Systems Inc., the vco circuit was analyzed and simulated. The simulation results show that the vco described in the thesis can achieve the main required characteristics . Keywords: Oscillator Bandgap Temperature drift PSRR Noise
了一个高稳定性 宽频带范围的单片集成的压控振荡器 它能很好的应用于锁相环电 路中 满足通讯设备的使用需要 本振荡器采用恒流充放电多谐振荡的电路结构 整个电路由带隙基准源模块 电 流源模块 控制电压输入模块和流控振荡器模块四个部分组成 其中带隙基准源模块 利用带隙技术设计产生了一个接近零温漂高稳定的基准电压 流控振荡器模块通过对 传统的射极耦合振荡结构进行改进而得到 电路采用全对称的电路形式 大大减少了 各种噪声对电路性能的影响 通过重点对这两个模块的优化设计 我们使得输出的振 荡频率不再直接依赖于某一个器件的参数 而是让器件单个参数的影响作用能相互抵 消 最后的频率只体现了器件的比值关系 这就从根本防止了因为器件参数的温度系 数引起输出频率的漂移 从而使得压控振荡器具有相当好的温度稳定性 在该振荡器的设计过程中
质量好 调频范围设置简便等优点 晶体管VCO的发展也是电视技术能在当时迅速推 广的重要原因 1960年至1980年 晶体管VCO 被电子系统设计所广泛采用 这极大的扩大了VCO
交换机在与外部进行通讯时
由于干扰和噪声
发出或接收到的数据的周期经常会随机地发生变化
一般称这种周期的变化为抖动;
这种时钟的抖动是数字系统所不希望的 因为它可能会造成电路的误动作 从而导致 系统功能失效 为了减小由于信号间的干扰和电源噪声引起的时钟抖动 可以用锁相 环来进行数据再生 在内部数据传输时由于要驱动负载和互联线的电容 需要在时钟 线上插入驱动级 然而驱动级会产生一定的延时 引起内外时钟的不一致.如果把这个 延时当作一个相位转换 电路中加上锁相环 可以消除这个延时 中心频
CMOS集成电路占据85%以上的份额
艺的单片集成高性能压控振荡器作为研究对象
具有一定的先进性和实用性
1.1 课题的来源
本课题所设计的压控振荡器是为某通讯公司需要而进行的全定制设计 它将替代
相应的进口芯片 在其设备中大规模使用 因此需求量很大 应用很广阔 在使用时 此芯片是在锁相环电路中 做为锁相回路的一个重要组成单元而出现 锁相环路是一 个实现两个电性号相位同步的自动控制系统 当锁相环的输入信号和环路的输出信号 之间存在相位差时 在锁相环控制机构的控制作用下 可以使振荡器输出信号和输入