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CMOS集成锁相环电路设计主要内容

2018/06/19139 作者:佚名
导读: 第1章简单介绍锁相环的基本结构和工作原理,然后详细讨论锁相环应用于射频频率合成器的主要性能指标,尤其强调的是相位噪声的概念和在接收与发射器应用中的指标推导,其他主要指标包括杂散、锁定时间、时钟抖动等。第2章基于经典控制理论和小信号线性模型,详细讲述了一类和二类锁相环系统原理和环路传递函数,通过相位裕量和根轨迹讨论环路稳定性;最后指出锁相环本质上是一个离散时间和连续时间系统的混合体,并给出了两

第1章

简单介绍锁相环的基本结构和工作原理,然后详细讨论锁相环应用于射频频率合成器的主要性能指标,尤其强调的是相位噪声的概念和在接收与发射器应用中的指标推导,其他主要指标包括杂散、锁定时间、时钟抖动等。

第2章

基于经典控制理论和小信号线性模型,详细讲述了一类和二类锁相环系统原理和环路传递函数,通过相位裕量和根轨迹讨论环路稳定性;最后指出锁相环本质上是一个离散时间和连续时间系统的混合体,并给出了两者之间界面的频域响应,包括离散采样和零阶保持。

第3章

深入到锁相环各个子模块的CMOS晶体管级电路设计,重点讨论了电荷泵的非理想性以及应用最为广泛的几种CMOS电荷泵设计方法,详细介绍了分频器、主要的双模预定标器、多模预定标器和高速可编程计数器的结构原理和晶体管级电路设计。

第4章

将重点转向锁相环噪声分析,首先介绍了各种器件噪声源,然后更进一步深入讨论噪声随机过程和离散时间系统噪声的一些本质特性,通过讨论时钟缓冲器和分频器噪声,引入噪声离散采样和噪声混叠的概念;在介绍电荷泵电流噪声及其开关调制之后,讨论锁相环中各个噪声源到输出相位噪声的噪声传递函数,并分析了锁相环设计参数和输出噪声的关系。

第5~7章

以应用最为广泛的基于差分积分调制器 (DSM) 的分数型锁相环设计为主要对象。第5章首先从整数锁相环的缺点引入分数锁相环的概念,通过例子详细介绍DSM 锁相环的工作原理,尤其是DSM噪声整形和DSM噪声在锁相环中的传递过程。第5章同时还介绍了较为新颖的欠采样整数型锁相环的原理和设计。第6章深入介绍DSM本身的设计要求和方法,包括DSM常用的结构类型、重要设计指标和具体设计步骤。第7章则转向高级宽带低噪声分数锁相环的设计方法,尤其是DSM噪声补偿的系统设计。同时指出锁相环模块,包括电荷泵和分频器非线性和DSM噪声混叠的关系,以及提高锁相环线性度的主要方法。最后详细介绍了应用广泛的最小二乘法自校准算法在锁相环DSM噪声补偿应用中的实现。

第8章

介绍近年出现的全数字锁相环的概念和设计,分别介绍时间数字转换器在前向通道和反馈回路两种不同的全数字锁相环结构,并指出其优缺点。子电路着重讲述了时间数字转换器和数字控制振荡器的电路设计,包括较为新颖的具有噪声整形的时间数字转换器设计。在该章还介绍了基于二进制鉴相器的全数字锁相环(bangbang锁相环) 的原理。最后对全数字锁相环和经典模拟锁相环的优缺点进行了比较。

第9章

结合前面几章中介绍的锁相环结构,着重讲述锁相环在相位调制中的应用,引入了两点相位调制的概念和系统设计,给出了在模拟锁相环和全数字锁相环中的实现方法。另外还介绍了以模拟偏置锁相环实现相位调制的方法。

章10章和第11章

以振荡器设计为重点。第10章首先介绍了振荡器基本原理和电容、电感器件原理,讨论了品质因子的几个本质定义;然后基于线性反馈模型和广义品质因子定义,给出了经典线性时不变相位噪声模型;详细讨论了线性时变振荡器相位噪声模型,尤其是时变噪声和时变噪声到相位传递函数的概念,并给出相应的降低相位噪声的设计方法;以负跨导振荡器为主要的电容电感振荡器的例子,结合相位噪声理论来讨论其设计方法;最后指出线性时变相位噪声模型的局限性,并给出了相位噪声的精确模型。作为较高级的内容,本章介绍了注入锁定和注入牵引的概念和原理。在第11章中,则将注意力转向环振荡器的设计,同时通过对环振荡器相位噪声的基本物理分析,给出其相位噪声性能的特性;同时介绍了振荡器频域相位噪声和时域时钟抖动之间的本质联系和换算方法。

第12章着重介绍基于延迟锁定环的频率合成器。首先介绍了延迟锁定环的原理特性,包括环路传递函数的推导;然后着重介绍了时钟沿组合产生时钟的方法,包括产生分数频率的方法,并提出通用的基于DSM的时钟沿组合,产生分数频率的频率发生器;最后讲述倍乘延迟锁定环的概念和原理。

第13章

将重点放在锁相环和频率合成器的实用设计,着重讲述了在实际工业量产的锁相环设计中,对参考杂散和分数杂散的有效抑制方法, 包括版图设计、电源和地线的正确连接方法、片外电源的隔离、分数杂散的机理和辨别方法等;同时也介绍了振荡器在实际生产中的设计要求,包括电源隔离、粗调开关电容的设计、振荡器频率的温度漂移等。

第14章

将时钟和数据恢复电路从其他锁相环应用中分立出来单独讨论。首先介绍了时钟数据恢复电路在有线通信中的应用背景;然后讨论了时钟数据恢复锁相环环路的基本原理,介绍了主要性能指标和环路特性;接着深入介绍各个子模块的电路设计细节,包括线性鉴相器、二进制鉴相器、半速率鉴相器、四相位鉴频器和电荷泵;最后以全数字时钟数据恢复电路为例,讲解了主要的数据恢复系统架构形式。

在附录中,列出锁相环设计中用到的主要术语的中英文对照,既可避免术语翻译的歧义,也方便读者查阅英文参考文献时与本书内容对照比较。

本书是笔者在国内和国外学习工作多年,尤其是近10年在美国高通公司射频模拟集成电路设计部从事一线设计工作的经验所得,以及基于笔者在加州大学圣地亚哥分校教授锁相环设计课程的讲义材料。仅希望本书能对全国广大集成电路设计人员和院校学生研究人员的工作学习提供一些参考和帮助。由于写作时间仓促以及作者学识所限,疏漏不足之处还望读者指正。

2013年5月于美国加州圣地亚哥市

*文章为作者独立观点,不代表造价通立场,除来源是“造价通”外。
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