基于噪声分析低抖动全数字锁相环设计new

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1、东南大学硕士学位论文基于噪声分析低抖动全数字锁相环设计姓名：邓小莺申请学位级别：硕士专业：微电子学与固体电子学指导教师：时龙兴20080419摘要摘要由于高性能、低成本已成为SoC设计的主要挑战，作为片上时钟发生器的锁相环设计变得非常关键。全数字锁相环由于在工艺上与数字电路兼容，低成本而获得了广泛应用。然而由于全数字锁相环输出频率存在离散特性，引入量化噪声大，导致输出时钟抖动比较大。因此低抖动设计已成为全数字锁相环设计的关键技术。本文设计了一种面向系统芯片片上时钟产生的全数字锁相环。首先分析系统芯片对锁相环具体要求，确定锁相环P核的各项性能指标和基本结构

2、框架。其次建立全数字锁相环的系统模型，通过matlab仿真验证其稳定性。然后推导ADPLL的噪声传输函数，分析传输函数对各种噪声源的抑制情况，确定ADPLL的环路带宽：详细分析数控振荡器(DigitalControlledOscillator)的噪声：器件噪声与电源噪声，推导DCO输出时钟抖动与各类噪声之间的量化关系，为设计低抖动DCO提供理论依据。根据电源噪声与输出时钟抖动关系的分析，在版图中加入退耦电容，完成ADPLL版图的最终设计。最后建立ADPLL的时序、功能和物理模型，实现了一个可复用的锁相环口核。在电路设计过程中，数控振荡器采用全定制设计方法

3、，其他模块则采用硬件描述语言RTL代码实现。鉴频鉴相器采用Ⅳ鉴相器和转换器的组合结构，将时域的相位差转换成控制字；滤波器采用结构简单但稳定性好的一阶数字低遥滤波器。本文设计的线性DCO采用9级倒相器构成的环形振荡器，通过改变与倒相器并联的三态倒相器数目来改变振荡频率。由DCO版图后仿真得知，DCO线性度较好，分辨率稳定在lOps／控制字。Slx：Ctre仿真结果表明振荡频率为183MHz，频偏IMHz时相位噪声为．106．6dbc／Hz。本文设计的全数字锁相环采用SMIC0．13¨m．Mic姗／I，o西cal／SRAM／MaskROM／Mix-Modc／

4、HVCM／LMOS工艺，P核面积为0．13485mm2。Hsim仿真结果表明，ADPLL输出频率为400MHz时峰．峰值抖动为38．45ps，周期间抖动为8．914ps，功耗为2．28mw，环路捕获时间小于15“s。测试结果表明，锁相环的捕获频率范围为200MHz一500MHz，输出频率为200MHz时峰．峰值抖动为133ps，周期间抖动为46ps。论文最后对实测与仿真之间的性能差异进行了探讨。关键词：锁相环，全数字锁相环，带宽，数控振荡器，噪声，抖动AbstractBecausethedemandsofhighperformanceandlowcost

5、arcnowthemainchallengeforSoCdesign,thedesignofphase—lockedloops(PLLs)usedasclockgeneratorsonchipbecomesverypivotal．Withlowcostand900dcompatibility、以血thedigitalcircuitinprocess，alldigitalPLLs(ADPLLs)arewidelyusedindigitalnoisysysteln-on-chip(SoC)．However,thequantizationinADPLhintr

6、oduceslargejitterintheoutputfrequency．Soit’sthekeyproblemindesigningADPLLstoreducethejitter．AnADPLLIPcoreusedintheembeddedsystemchipasclockgeneratorisdesignedinthispaper．BasedontheanalysisoftheapplicationrequirementsofthePLLIPcor@inthechip,thestructureandtheperformanceparametersw

7、erede触ed．Thesystemmodelwassetupandthestabilitywasvalidatedbymatlab．ThebandwidthoftheclosedloopfunctionwasachievedaftertheanalysisofthenoisemodeloftheADPLL．Thenagreatdealeffortwaspaidtotheanalysisofthenoisesinthedigitalcontrolledoscillator(DCO)，whichincludedevicenoisesandpowersupp

8、lynoise．Someequationscalculatingjitterca