电荷泵锁相环
电荷泵锁相环四阶无源环路滤波器的设计
电荷泵锁相环四阶无源环路滤波器的设计1. 绪论1.1 研究背景1.2 研究目的与意义1.3 现有研究综述2. 无源环路滤波器原理2.1 电荷泵2.2 锁相环2.3 无源滤波器2.4 四阶环路滤波器3. 设计方案3.1 系统框图3.2 电路设计流程3.3 具体电路设计4. 实验验证4.1 实验设备与方法4.2 实验结果与分析5. 结论与展望5.1 结论总结5.2 研究展望及不足参考文献1. 绪论1.1 研究背景滤波器是电子系统中重要的信号处理器件，用于滤除噪声、干扰等非期望信号，提高系统性能和可靠性。
传统的滤波器通常包括有源滤波器和无源滤波器，有源滤波器具有较高的增益和带宽，但容易产生交叉耦合、不稳定性等问题，不适合高灵敏度和高可靠性的系统应用。
相对地，无源滤波器不需要功率放大器，具有低噪声、低失真、高工作稳定性等优点，因此受到广泛关注。
环路滤波器是一种无源滤波器，它利用环路反馈结构实现信号滤波，可以用于时钟恢复、PLL电路、模数转换器、数字信号处理等领域。
环路滤波器的特点是抑制抖动频率和高频噪声，同时保持信号相位不变，因此能够有效地减少电子系统中时钟服从误差、干扰等问题。
而四阶环路滤波器是基于二阶滤波器级联实现的，具有更高的阻带深度和抑制量，因此适用于对要求更高的滤波应用领域。
1.2 研究目的与意义目前，环路滤波器的设计研究已经相对成熟，但在实际应用中，仍然存在一些问题，如：滤波器带宽、抑制深度、相位噪声等方面的指标需要进一步优化，同时还需要提高滤波器的环路稳定性和抗噪声干扰能力。
因此，本文旨在设计一种基于电荷泵锁相环的四阶无源环路滤波器，通过优化电路设计与参数选择，提高滤波器的性能指标和工作稳定性，实现滤波效果更加优异的无源滤波器。
1.3 现有研究综述电荷泵锁相环作为一种广泛应用于频率合成和时钟恢复领域的锁相环，其具有结构简单、工作稳定、精度高等优点，目前已经在许多应用领域中得到推广应用。
同时，环路滤波器也是一种常用的滤波器结构，在信号处理、相位锁定等领域被广泛应用。
毕业论文-CMOS电荷泵锁相环的研究与设计
CMOS电荷泵锁相环的研究与设计摘要锁相环设计是现代集成电路设计中一个重要的话题，在射频无线通信、高速有线通信、光纤通信以及高性能数字电路等领域中占有重要的地位。
电荷泵锁相环是锁相环应用中最广泛的一种，因为它具有易集成、低功耗、低抖动、低噪声、捕获范围宽等特点。
因此电荷泵锁相环成为IC领域研究中的热点。
本论文首先介绍了锁相环的背景与现状，分析了一般锁相环的组成结构与基本原理并逐步引出电荷泵锁相环，研究了锁相环的非理想特性，并推导了部分组成部分的参数，最终得到锁相环的数理模型。
在此基础上，设计了一个工作在10MHz~100MHz的电荷泵锁相环，包括鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器以及分频器电路模块。
本文鉴相器是由两个RS触发器与一些非门、与非门构成，具有较大的鉴相灵敏度、较小的纹波输出、工作线性区域大和零点漂移小的特点。
电荷泵采用全差分设计，使用了镜像电流源，这样就使电荷泵受温度影响大大减小，同时也稳定了电流的输入。
低通滤波器使用无源二阶滤波器，既降低了制造成本，又避免了极点的产生，提高了电路的稳定性。
本实验的锁相环使用的是电荷泵锁相环基于CSMC0.6um标准CMOS工艺。
仿真结果要求锁相环在5V电源电压下可以在5MHz~120MHz的频率范围内正常工作，占空比为50%±3%，锁定时间小于8μs。
经仿真试验，本设计达到了课题的要求。
关键词：锁相环；鉴频鉴相器；电荷泵；压控振荡器；COMSAbstractPLL design is a modern integrated circuit design is an important topic, occupies an important position in the field of radio frequency wireless communications, high-speed wired communications, optical communications, and high-performance digital circuits and the like . CPPLL is locked loop applications, the most widely used , because it has easy integration, low-power, low-jitter , low -noise , wide capture range of features. Thus IC CPPLL become a hot research field .This paper introduces the background and status of the PLL , followed by analysis of the structure and composition of the basic principles of the general phase-locked loop and gradually leads CPPLL study the non-ideal characteristics of the PLL and derive some parameter components , and ultimately get the PLL mathematical models. On this basis , the design of a work in 10MHz ~ 100MHz charge pump PLL, including phase frequency detector, charge pump , loop filter , VCO and divider circuit modules.This article is some phase NAND gate NAND gate consists of two RS flip-flop having a phase sensitivity of the larger , the smaller the output ripple , and the work of the linear region of the large zero drift characteristics. A fully differential charge pump design, a current mirror , so that the charge pump is reduced greatly affected by temperature , but also the stability of the input current. Second-order low-pass filter using passive filters , not only reduces manufacturing costs, and avoid the extreme generation, but also allows the circuit is very stable.In this study, using a phase-locked loop based TSMC0.35um CPPLL standard CMOS process . The simulation results require phase-locked loop can operate at 3.3V supply voltage in the frequency range of 5MHz ~ 120MHz normal duty cycle of 50% ± 3%, the lock time is less than 8μs. The simulation test, the design meets the requirements of the subject .Key words: low voltage; Low power; CMOS operational amplifier; Rail to rail input目录摘要 (I)Abstract (II)第一章绪论 (5)1.1 锁相环的背景 (5)1.2 锁相环的发展、现状和应用 (5)1.3 论文的章节安排 (7)第二章 CMOS电荷泵锁相环的基本原理及组成 (8)2.1 电荷泵锁相环的基本原理 (8)2.2 CMOS电荷泵锁相环的基本组成 (9)2.2.1 鉴频鉴相器 (9)2.2.2 电荷泵 (10)2.2.3 延时电路 (11)2.2.4 环路滤波器 (12)2.2.5 PFD/CP的非理想效应 (13)2.2.6 压控振荡器 (17)2.2.7 分频器 (17)2.2.8 锁相环的基本性能 (17)2.3 电荷泵锁相环的相位噪声 (18)2.4 本章小结 (19)第三章电荷泵锁相环电路的设计 (20)3.1 电荷泵锁相环电路简介 (20)3.2鉴频鉴相器电路设计与仿真 (20)3.2.1 鉴频鉴相器的 (20)3.2.2仿真波形 (23)3.3 电荷泵和滤波器的设计和仿真 (24)3.3.1电荷泵的设计 (24)3.3.2 环路滤波器的结构 (26)3.3.3 电荷泵和滤波器的仿真 (29)3.4 环路整体仿真 (30)3.5 小节 (31)第四章结论 (32)参考文献 (32)致谢 (33)第一章绪论1.1 锁相环的背景锁相环电路（PLL）是一个能够跟踪输入信号相位的闭环自动控制系统。
电荷泵锁相环..
环路传递函数
F(s)=(1+τ 2s)/τ 1s
(4.3.4)
可得此环路的数学模型,如图4.3.2和图4.3.3(复频域) 所示。
θi(s)
＋ －
＋
θe(s)
ud(s)
Kd
1 2s 1 s
uc(s)
Ko/s
θo(s)
图4.3.2 二阶电荷泵PLL的相位模型 △ω i(s) △ω (s) ＋ K’d ＋ － ud(s) 1 2 s uc(t)
4.1 电荷泵锁相环(CPPL) 电荷泵锁相环如图4.1.1所示。
ui(t) FPD CP LF VCO uo(t)
图4.1.1
电荷泵锁相环
图中: FPD是鉴频鉴相器;
CP是电荷泵;
是模数混合环，与模拟锁相环唯一不同的是鉴相器包 括FPD和CP,称为电荷泵鉴相器。它是数字式的,具有 鉴频鉴相功能,CP为LF提供充放电电荷。 为简化分析过程,以图4.1.2所示的双D鉴相器为例, 来说明鉴频鉴相器的工作原理。
设电荷泵能提供的充放电电流为Ip,则充放电电流在一 个周期内的平均值为: id(t)=Ipθe(t)/2π
e (t ) 2
(4.1.1)
上式即为这种电荷泵鉴相器的鉴相特性。考虑到相位 的周期性,式(4.1.1)所表示的鉴相特性可用图4.1.4表 id(t) 示。
I
-4π
-2π
P
0 -IP
2π
o (t )
o c
p
(4.2.2)
V (t ) K ouc (t )
(4.2.3)
综合考虑(4.1.1) ～(4.1.4)式及（4.2.1）～（4.2.3）, 可得环路的相位模型和频率模型分别如图4.2.2和 4.2.3所示。
电荷泵锁相环的全数字DFT测试法
电荷泵锁相环的全数字DFT测试法1引言传统的集成电路IC测试方法是把电路分成数字和模拟两部分子电路，然后对这两部分子电路分别进行测试。
对于数字子电路，目前已经有了几项比较成熟的测试技术：边界扫描法和内建自测试BIST法等可测试性设计DFT法。
而模拟子电路的测试还只是面向功能性的，需要较长的测量时间和精确、昂贵的测试装置，故生产成本较高。
但目前模拟IC的生产与应用已占绝对优势，这就迫切需要研发低成本的模拟IC芯片的测试方法相环PLL电路应用广泛，它常用于无线通信系统、计算机网络、多媒体、自控装置和空间系统等设施中。
本文以电荷泵锁相环CPPLL为例，提出一种简便可行的、比较经济的全数字DFT测试法。
2CPPLL的结构和工作原理CPPLL的结构如图1所示，它由四大部分组成：①鉴频鉴相器PFD.它负责监测输入信号与反馈信号的相位差和频率差，并相应地启动电荷泵；②电荷泵CP.它受PFD控制而开启，并打开环路滤波器的充／放电回路；③环路滤波器LF.通过电荷泵的充／放电作用，生成一个控制电压，用来驱动压控振荡器工作；④压控振荡电荷泵锁相环的全数字DFT测试法范木宏，成立，刘合祥江苏大学电气信息工程学院，江苏镇江212013何在一个完整的测试方案中把不同的测试方法结合起来――即采用电荷泵锁相环的全数字可测试性设计DFT法。
这种测试方法简单、成本较低，具有较高的开发价值。
图1电荷泵锁相环示意图封装测试技术器VCO.受CP和LF环节产生的控制电压的作用，振荡频率随之作线性变化。
其输出信号又再次反馈到PFD，与时钟输入信号进行鉴频鉴相，如此周而复始、循环不已，直至时钟输入信号与压控振荡器VCO的时钟输出信号之间的相位差等于零为止3CPPLL的全数字DFT测试法3.1PLL的功能测试传统的PLL一般是功能测试。
而完整的功能测试包括测量数个参量，例如：锁定时间、锁定频率范围等。
然而，测量PLL的所有相关参量将会使成本增加，很需要研发成本较低的测试装置及其相应的测试方法。
CMOS电荷泵锁相环设计技术研究的开题报告
CMOS电荷泵锁相环设计技术研究的开题报告一、研究背景及意义随着现代通信技术的快速发展，高速、低功耗、高性能的数字信号处理成为了当今通信技术的发展趋势，而锁相环(PLL)被广泛应用于数字信号处理中。
由于其优良的频率合成和时钟恢复性能，已成为现代通信和计算机系统中的基础性模块之一。
电荷泵(CP)是PLL中的核心部分，它可以将参考信号(REF)的相位信息转换成输出信号(PFD OUT)的电荷量。
因此，电荷泵的设计对PLL整个系统的性能影响非常大。
现有的PLL设计中，CMOS电荷泵被广泛应用，其优点包括：集成度高，可实现调节电压控制(VCO)的线性度，成本低等。
因此，研究CMOS电荷泵在PLL中的应用技术，具有重要的实际应用价值和理论研究意义。
二、研究目的及内容本文旨在研究CMOS电荷泵在PLL中的应用技术，主要包括以下内容：1.研究CMOS电荷泵的基本原理和工作原理，分析其优点和局限性；2.设计基于硅基CMOS工艺的电荷泵电路，优化其性能指标，包括：工作频率、输出电平、功耗、相位噪声等；3.提出一种新型电荷泵的设计方法，探索其在PLL中的应用；4.基于Virtuoso软件对所设计的电路进行仿真和验证；5.对所设计的电路进行测试和性能评估，验证其可行性和实用价值。
三、研究方法及技术路线1.文献综述法：对CMOS电荷泵在PLL中的应用技术进行深入综述和分析，包括电荷泵的基本原理和工作原理、常见的设计方法，以及现有的一些研究成果和存在的问题；2.理论分析法：通过理论计算和分析，确定电荷泵电路的关键设计参数，比如阈值电压、电荷泵翻倍器的倍增系数等；3.模拟仿真法：采用基于Virtuoso软件的仿真工具，对所设计的电路进行仿真和验证；4.实验测试法：利用实验仪器对所设计的电路进行测试和性能评估，验证其可行性和实用价值。
四、拟达成的研究成果及意义1.设计出一种基于CMOS工艺的高性能电荷泵电路，包括理论分析和实际设计；2.验证所设计电路的性能指标，比如工作频率、输出电平、功耗、相位噪声等；3.提出一种新型的电荷泵设计方法，探索其在PLL中的应用；4.为PLL的设计提供一种高效、低成本、低功耗的电荷泵设计方案。
锁相技术第5章 电荷泵锁相环
3
5.1 电荷泵鉴频鉴相器数学模型
电流型电荷泵鉴频鉴相器
“1”
DQ
UP
FF
u1
s 1
s
2
C1
(
s
b
1
1)
Ho(
j)
KVCO I 2
p
(b) b 1
(
j 1
j
)
2
C1
(
j b 1
1)
Ho(
j)
KVCO I p 2
b
1 ( )2
()
b 1 2C1
1 ( j )2 b 1
Ho ( j) 1 c 为环路带宽(也称穿越频率)，此时相角位移为：
号的信道噪声； 环路内部噪声：PLL内部各模块产生的噪声，如鉴相器
和压控振荡器等部件。
若环路用作频率信号源，噪声与干扰会使输出信号频谱不 纯，输出相位产生随机的抖动，频率稳定度变差；若环路 用作通信的收发射机，则输出信噪比下降。较强的噪声与 干扰还会使环路跟踪性能下降，失锁。同时，必然会增加 环路捕获困难。
周期抖动（period jitter）一般有两种表示值： Peak-to-Peak值（峰-峰值）：在第N个周期的上升沿
可能出现的最大偏移值。 RMS值（均方根值）：指第N个周期上升沿相位变化的
标准方差。
24
周期抖动（period jitter）
在周期抖动（period jitter）的测量中： 如果N<10，那么周期抖动（period jitter）称为
电荷泵锁相环的模型研究和电路设计
结论
本次演示对电荷泵锁相环的模型研究和电路设计进行了详细探讨。通过建立 数学模型并简化分析，我们发现电荷泵锁相环的性能主要受到电荷泵增益、环路 滤波器时间常数以及输入信号频率的影响。在此基础上，我们设计了一款电荷泵 锁相环电路，并对关键元件进行了选择和优化。然而，该电路仍存在一些不足之 处，需要进一步改进。
2、低功耗：该设计方案采用了先进的工艺和电路设计，使得芯片的功耗较 低，延长了设备的使用寿命。
3、高集成度：所设计的锁相环集成电路芯片具有高集成度，减小了设备的 体积和重量，方便了实际应用。
结论：
本次演示通过对高速锁相环集成电路芯片的深入研究和实验验证，提出了一 种针对高速条件下的高效设计方案。实验结果表明，所设计的芯片在高速条件下 具有良好的性能和可靠性。但是，我们也意识到该设计方案仍存在一些不足之处， 例如在复杂电磁环境下的稳定性等问题。
近年来，随着太阳能技术的快速发展，光伏并网逆变器在太阳能发电系统中 得到了广泛应用。三相锁相环设计在光伏并网逆变器控制中具有重要意义，是实 现并网稳定运行的关键技术之一。本次演示将阐述三相锁相环设计及光伏并网逆 变器控制的研究内容和方法。
在光伏并网逆变器控制领域，文献综述表明，现有的研究主要集中在逆变器 拓扑结构、控制策略和并网保护等方面。其中，三相锁相环设计是逆变器控制策 略中的重要组成部分。已有的三相锁相环设计方法主要包括基于PI调节器和基于 同步检测器的设计方法。然而，这些方法在实时性、准确性和稳定性方面仍存在 一定的问题，特别是在复杂环境和恶劣条件下。
模型研究
1、电荷泵锁相环的原理和内部 机制
电荷泵锁相环主要由电荷泵、环路滤波器（Loop Filter）和电压控制振荡 器（VCO）三个主要部分组成。其工作原理是，通过电荷泵将输入信号的相位差 转化为电压，再经环路滤波器滤除高频成分，得到控制VCO的直流电压，最终实 现输出信号与输入信号的相位和频率同步。
超高频RFID阅读器电荷泵锁相环设计
超高频RFID阅读器电荷泵锁相环设计锁相环是在模拟/数字电路设计中的一种非常重要和实用的电路结构[1]。
锁相环[2-3]由鉴频鉴相器、电荷泵、滤波器、压控振荡器以及分频器等构成，在具体电路设计中还可能涉及到基准(PTAT)电路和一些简单的数字电路。
由于锁相环正常工作时能通过内部电路中精准的负反馈机制提供稳定的输出频率作为本振信号，因此，该结构广泛应用于数字及模拟电路设计之中。
1 电荷泵锁相环电路设计1.1 电荷泵锁相环原理与整体结构图1所示为电荷泵锁相环[4]的系统结构图。
620)this.style.width=620;" border=0 alt=超高频RFID阅读器电荷泵锁相环设计src="技术2021/ddk0lludrsi2021.gif"> 锁相环系统的基本原理为：最初外部参考信号与分频器输出信号同时输入给系统，送入鉴频鉴相器;鉴频鉴相器检测ωout与ωin两路信号的相位差和频率差以及上升沿和下降沿，并随时根据它们的上升、下降变化决定电荷泵的开启和关断状态;电荷泵的输出电压Ud经过滤波器滤波，产生输出电压Vctrl，Vctrl作用在压控振荡器上，产生输出频率;压控振荡器的作用是使输出频率随输入控制电压的变化按照一定比例变化，分频比为N的分频器保证：fvco=fref×N，其中fvco为VCO的输出频率，fref为参考频率。
锁相环内部负反馈机制使整个系统达到锁定状态。
620)this.style.width=620;" border=0 alt=超高频RFID阅读器电荷泵锁相环设计src="技术2021/5ojmqpg2zol2021.gif"> 出信号被送入鉴频鉴相器，初始相位差使环路无法锁定，经过一段时间的相位积累就能达到频率捕获。
针对死区问题，本设计所采用的去死区的方法是增加延时单元，延时单元应用串联连接的反相器链。