基于40nm CMOS工艺的1.5-3.0GHz电荷泵锁相环的设计

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21世纪以来,随着通信需求的提高,新的通信技术和实现方式迅猛发展。同时,由于人类生活水平的提高,对无线通信技术的发展提出了更高的要求。智能无线终端也从根本上颠覆了人类的生产和生活方式。物联网(Internet of Things,IoTs)、智慧家庭、智慧城市、可穿戴等新兴市场的崛起促使无线通信集成电路向单片化、低功耗、高能效等方向发展。而锁相环(Phase Locked Loop, PLL)作为无线通信集成电路系统中的重要模块单元,它的性能很大程度上影响着相应通信系统的误码率。本文基于SMIC 40nm工艺设计了一个输出频率范围在1.5-3.0GHz电荷泵锁相环(Charge Pump Phase Locked Loop, CPPLL)电路。电荷泵(Charge Pump, CP)的性能决定了锁相环带内的噪声性能和杂散水平。电荷泵电路存在的非理想效应会使得控制电压上产生纹波并周期性的调制压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator, VCO)的输出产生参考杂散,影响输出的噪声性能。本文设计了一个改进型动态匹配电荷泵电路,最大电流失配率为0.83%@0.3-0.7V,相比较于传统电荷泵电路参考杂散由-37.65dBc降低至-56.37dBc,改善了锁相环杂散性能。环路滤波器是一个低通滤波器(Low Pass Filter, LPF)。它会滤除控制电压上的高频谐波,同时也会抑制锁相环的带外噪声。滤波器的带宽同时决定了整个锁相环的性能,包括锁定时间、稳定性、参考杂散等。本文采用双电荷泵的锁相环结构从而有效的减小了环路滤波器的面积。压控振荡器作为锁相环电路的核心电路模块,它的性能直接决定了锁相环电路的噪声性能。目前锁相环中的压控振荡器主要由两种方式实现,一种是基于延迟单元的环形振荡器,另一种是基于电感电容的振荡器。本文分析了振荡器电路的工作原理和数学模型并基于延迟单元设计了一个输出频率范围在1.5-3.0GHz的环形振荡器,输出3.0GHz时其相位噪声为-86.84dB @1MHz。最后,本文基于SMIC 40nm工艺下设计了一个供电电压1.1V的电荷泵锁相环电路。锁相环的输出频率范围为1.5-3.0GHz,核心电路为0.1mm2,锁定时间约为60μs,功耗为3.5mW @3.0GHz,峰峰抖动为11.65ps @3.0GHz。
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