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用于GPS接收机的全集成锁相环设计

陈常勇  
【摘要】: GPS接收机在当今社会有着广泛的应用,而锁相环是GPS接收机中最为关键的模块之一,它为GPS接收机的混频提供精确的本地振荡信号。锁相环是模拟和射频集成电路设计领域最有挑战的模块之一。本文设计的锁相环采用的是广为流行的电荷泵锁相环,它包含了模拟电路——电荷泵,射频电路——压控振荡器以及数字电路——分频器。 本文基于SMIC 1P6M 0.18um的工艺设计了一款用于GPS接收机的全集成电荷泵锁相环。本文首先研究了电荷泵锁相环的行为级特性,用Matlab建立了锁相环的相位域和电压域模型,用Verilog-A建立了锁相环的电压域模型。在电路图的设计中,电荷泵使用了运算放大器作为误差放大器,运用负反馈结构,使得电荷泵的输出电压在较大范围内变化时,充放电电流的匹配性能非常优越;其次,深入地研究了压控振荡器的噪声模型以及降低相位噪声的技术,设计了一款LC Tank结构的压控振荡器,其调谐范围是1.35GHz~1.5GHz,其增益为139MHz/V,其在600KHz频偏处的相位噪声为-118dBc/Hz。最后,设计了一款全集成锁相环,其分频器工作在1.4GHz,分频系数为七十;此外,为今后设计更高频率锁相环作准备,本文研究了工作频率在5GHz以上的分频器,进一步设计了一款工作在5GHz的五分频电路。在设计锁相环的过程中,本文也研究和分析了锁相环的一些现象,如Cycle Slipping,以及压控振荡器输出信号的二次谐波到电压控制端的耦合等。本文完成了电荷泵锁相环电路的版图设计以及后仿真。本文中的锁相环输出三个本地振荡信号,频率分别为1.4GHz、140MHz和31.111MHz,参考源信号的频率为20MHz。锁相环的单位增益带宽为280KHz,锁相环的锁定时间小于10us。整个锁相环的功耗为10mW,杂散为-65.7dBc,距离中心频率1MHz处相位噪声小于-120dBc/Hz。版图的面积大约为600um×700um。


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