宽带PLL中电荷泵与环路滤波器的研究与设计

摘要

随着无线通信飞速发展,低成本、低功耗CMOS工艺技术得到不断进步。无线收发器的大部分单元电路都能够单片实现,但高速、低功耗射频CMOS锁相环(PLL)的设计仍然是个难点。由于电荷泵锁相环具有频率获取能力强、理论上无限大的频率牵引范围零静态相位误差,因此电荷泵锁相环成为现代流行的锁相环设计结构。电荷泵和环路滤波器(LPF)是电荷泵锁相环的重要组成部分,对环路的相位噪声、参考杂散和锁定时间都有很大的影响。本论文的目的是为高性能电荷泵锁相环设计一个性能优良的电荷泵和环路滤波器。
　　论文首先介绍了锁相环的基本原理,系统分析锁相环路各个模块的主要性能,通过对电荷泵锁相环的介绍深入分析电荷泵、环路滤波器对系统性能的影响。具体而言,电荷泵对系统性能的影响主要是由于电荷泵的非理想性造成的,表现为漏电流的不匹配、电荷泄漏以及MOS开关的时钟馈通及电荷注入。环路滤波器对维持环路稳定性、控制环路带内外噪声、防止VCO调谐电压控制线上电压突变、抑制参考边带杂散等具有决定性作用,这两个模块是PLL设计与调试的关键。
　　电荷泵的主要功能是将鉴频鉴相器输出的数字信号转换成连续的模拟信号,然后通过滤波器滤除高频分量并进行放大控制VCO的振荡频率。通过对各种类型电荷泵的分析与比较,最终选用差分输入单端输出的正反馈互补型结构,这是一种采用电流控制技术的电荷泵。从给出正反馈互补型电荷泵电路瞬态分析仿真结果可以看出,不管是上拉电流还是下拉电流都很稳定,输出电压也很稳定,没有电压跳变。而且电路采用正反馈技术,使电荷泵充放电所需时间减小。
　　环路滤波器是PLL的重要组成单元,它在很大程度上决定了PLL的性能。本文介绍了环路滤波器的设计理论,着重分析了环路滤波器所涉及的相关概念以及拓扑结构。实现了一个三极管放大结构的有源三阶滤波器以产生3.3V~33V的VCO调谐电压的放大。

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第一章绪论

1.1 锁相环的发展

1.2 电荷泵锁相环

1.3 论文的主要研究内容及论文结构

第二章锁相环的基本原理

2.1 锁相环的基本原理

2.2 锁相环的各个基本模块

2.3 锁相环路的性能

2.4 锁定状态

2.5 电荷泵锁相环

第三章电荷泵的电路设计

3.1 MOS开关的分析

3.2 电荷泵的非理想因素

3.3 电荷泵电路的设计分析

第四章环路滤波器的设计

4.1 环路滤波器基本概念

4.2 环路滤波器拓扑结构

4.3 环路滤波器实现及仿真测试

第五章总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文