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作为射频收发机中的关键模块,电荷泵锁相环为混频器提供稳定的本振信号,锁相环的相位噪声直接影响到射频收发机的灵敏度,所以低相位噪声设计一直是锁相环设计领域中的重要研究课题。本文以数字电视调谐器中的锁相环为设计目标,根据数字有线电视接收机DVB-C标准的设计指标,选取了各模块的电路结构并有针对性地进行了优化,最后完成了基于新加坡特许半导体(Chartered)0.35μm RF-CMOS工艺的锁相环电路设计。本文系统的研究了电荷泵锁相环的电路设计,重点分析了电路中一些非理想效应及其产生的影响,并提出相应的措施以消除影响。 论文首先给出了本次设计的数字电视调谐器中电荷泵锁相环的整体结构,旨在对锁相环系统进行分析设计。由于环路滤波器对锁相环系统的影响很大,包括环路的相位裕度、捕获带和锁定时间等,因此需要先对环路滤波器进行设计。本次设计采用的滤波器与常用的锁相环滤波器有所不同,文章推导了它的传输函数,并深入讨论了滤波器参数变化对环路响应的影响,得出了可以保证宽带锁相环响应稳定性的滤波器参数优化方法。然后对锁定时间与环路参数之间的关系进行了深入研究,提出了一种计算锁定时间的方法,推导出了锁定时间的计算公式,它可以比较直观地反映出锁定时间与环路参数之间的关系。利用Mentor公司的数模混合仿真软件ADMS对锁相环系统进行仿真,得到的环路锁定时间与推导出的公式计算结果比较吻合。 其次,分析了LC振荡器的主要性能参数和基本原理,并考虑了MOS管寄生参数对振荡器的影响。总结了VCO的设计方法,选择了互补型交叉耦合的LC振荡器结构,并对MOS管尺寸以及片外谐振网络的电容和电感进行了设计,通过Mentor公司的模拟电路仿真软件ELDO进行仿真验证。详细分析了现有的VCO相位噪声模型,包括线性时不变模型、线性时变模型、非线性时不变模型和非线性时变模型等。重点讨论了目前应用最广泛的由Hajimiri提出的线性时变模型,该模型在描述相位噪声之前首先需要得到VCO的脉冲敏感函数,而脉冲敏感函数没有相应的计算公式要通过SPICE仿真才能得到,所以Hajimiri的模型不是完全解析的。针对本次选择的互补型交叉耦合的LC振荡器结构,推导出它的脉冲敏感函数解析表达式,然后求出VCO的相位噪声的全解析表达式,并与实际流片测试结果进行了比较。从得到的VCO相位噪声的全解析模型中,可以看到影响相位噪声的主要因素,对优化VCO的设计有一定的指导作用。 介绍了鉴相鉴频器的工作原理和主要性能指标,给出了常用的几种PFD结构,包括预充电式、普通边沿触发式、TSPC动态结构和差分型边沿触发PFD。重点讨论了SCL结构的反相器和锁存器的特点和设计方法,它的优点是噪声低、增益大和转换速率高,非常适合于射频集成电路。本文设计了SCL结构的鉴相鉴频器,并对其噪声模型和工作频率进行了讨论。 最后,详细分析了电荷泵中的电流失配、电荷共享、时钟馈通和电荷注入问题等非理想的现象,给出了相应的消除方法。其中电荷共享和电荷注入问题比较容易解决,难点是如何减小电流失配。论文从MOS管失配的来源开始,分析了影响阈值电压和跨导常数失配的因素,总结出减小电流失配的方法,设计了低电流失配的电荷泵。讨论了电荷泵的噪声模型,通过各种不同的仿真,分析了电荷泵的电流噪声,给出了减小电流噪声的方法。