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基于TDC的全数字锁相环研究与设计.docx
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基于TDC的全数字锁相环研究与设计.docx
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摘要
随着集成电路的飞速发展,锁相环已经成为现代时钟电路的重要组成部分,是现代超大
规模集成电路中必不可少的核心组成部件,用它来产生和提供片内高速时钟。本文在大量阅
读国内外相关锁相环技术的文献基础上,介绍了锁相环技术的发展概况、基本概念、分类及
应用,深入分析研究了全数字锁相环的结构原理,并设计了一种基于时间数字转换器的全数
字锁相环(ADPLL)。
本文给出了全数字锁相环的系统结构及各个子模块的电路,建立了全数字锁相环的数学
模型,并分析了它的稳定性和可行性。本文针对传统时间数字转换电路的不足,通过加入上
升沿检测电路,扩大计数器位宽,使之不仅能完成时数转换的基本功能,而且提高了时数转
换的准确性,扩大了相位差的测量范围;采用一个环形振荡器同时给数控振荡器和时间数字
转换器提供多相参考时钟信号,它的转换精度乘积为 1,使环路对工艺、电压、温度都不敏
感,增强了稳定性;通过加入可编程任意整数分频器进行分频,使得反馈时钟波形占空比保
持为 50%;通过简化传统数控振荡器的结构,使之基本功能保持不变,且有效地减小了电路
的占用面积。此外,还介绍了各个数字模块的设计实现和编码技巧、数字集成电路的开发设
计流程以及数模混合仿真流程。
本文基于标准 0.18µm CMOS 的数字逻辑工艺,采用自顶向下的设计方法完成了整个全
数字锁相环的 RTL 级设计、仿真以及关键模块的版图实现。仿真结果表明,锁相环的锁定输
出频率范围为 64MHz~640MHz,分频系数范围为 27~70。当参考频率为 10MHz 时,环路锁
定时间在 12μs 以内。
关键词:
全数字锁相环,鉴相器,时间数字转换器,数控振荡器,数字分频器
I
Abstract
With the rapid development of integrated circuits, a PLL (Phase-Locked Loop) has played an
important role in VLSI circuits as an important part of modern clock generation circuits, which is
used to provide on-chip high-speed clocks.Based on reading a large number of domestic and foreign
literature on phase-locked loop technologies, we firstly introduce the development, concept,
classification and application of PLL, and deeply analyse the structural principle of All-Digital PLL.
Then the ADPLL (All-Digital PLL) with TDC (Time to Digital Converter) is designed in this paper.
In this paper, the ADPLL’s system structure, sub-circuit blocks, and mathematical model are
proposed, and its stability and viability are analyzed. Among them, the traditional TDC is improved
by adding the circuit of rising edge detection and expanding the width of counter, which not only
achieves the basic function, but also improves the accuracy and the measurement range of the TDC.
A FRO’s (Free-running Ring Oscillator) outputs offer a multi-phase reference signal for the DCO
(Digital-Controlled Oscillator) and TDC, so the product of convention resolution is fixed to 1. It not
only makes the system more stable and reliable, but also be insensitive to the number of modules to
process, voltage and temperature. Adding the programmable arbitrary integer divider, the feedback
clock's waveform duty cycle is fifty percent. Simplifying the structure of the traditional DCO, the
basic functions remain unchanged, and the circuit area is effectively reduced. Furthermore, this
paper focuses on introducing the design method and programming skills of all of digital circuits, the
digital integrated circuit design flow and mixed analog-digital simulation process.
Based on standard 0.18μm CMOS technology, the proposed ADPLL’s RTL-level modeling,
simulation and the key module’s layout are implemented using the top-down design method.
Simulation results show that the output frequency range from 64 MHz to 640 MHz, the frequency
multiplication factor range from 27 to 70. When the reference frequency is 10MHz, the loop
locking time is within 12μs.
Key words: All-Digital PLL,Phase Detector(PD),Time to Digital Converter(TDC),
Digital-Controlled Oscillator(DCO),Digital Divider
II
目录
第一章 绪论 ...............................................................................................................................................................1
1.1 课题的研究背景及意义 ..............................................................................................................................1
1.1.1 锁相环的发展概况 ...........................................................................................................................1
1.1.2 全数字锁相环研究的意义 ...............................................................................................................2
1.2 国内外的研究现状 ......................................................................................................................................3
1.3 论文的结构 ..................................................................................................................................................5
第二章 锁相环简介 ...................................................................................................................................................6
2.1 锁相环的组成及原理 ...................................................................................................................................6
2.1.1 鉴相器 ...............................................................................................................................................6
2.1.2 环路滤波器 .......................................................................................................................................7
2.1.3 压控振荡器 .......................................................................................................................................9
2.2 锁相环的分类及应用 ................................................................................................................................10
2.3 锁相环的主要性能参数 ............................................................................................................................12
2.4 本章小结 ....................................................................................................................................................12
第三章 数字锁相环的结构 .....................................................................................................................................14
3.1 数字锁相环的分类 ....................................................................................................................................14
3.2 全数字锁相环的组成 ................................................................................................................................15
3.2.1 数字鉴相器 .....................................................................................................................................15
3.2.2 时间数字转换器 .............................................................................................................................17
3.2.3 数字滤波器 .....................................................................................................................................19
3.2.4 数控振荡器 .....................................................................................................................................21
3.2.5 数字分频器 .....................................................................................................................................24
3.2.6 环形振荡器 .....................................................................................................................................25
3.3 全数字锁相环的数学分析 ........................................................................................................................26
3.3.1 鉴相器的数学模型 .........................................................................................................................27
3.3.2 数字滤波器的数学模型 .................................................................................................................28
3.3.3 数控振荡器的数学模型 .................................................................................................................28
3.3.4 数字分频器的数学模型 .................................................................................................................28
3.3.5 锁相环的数学模型 .........................................................................................................................29
3.4 本章小结 ....................................................................................................................................................31
第四章 基于 TDC 的全数字锁相环设计 ...............................................................................................................32
4.1
Verilog HDL 的介绍 ...................................................................................................................................32
4.2 锁相环各个模块的设计 ............................................................................................................................33
4.2.1 鉴相器的设计 .................................................................................................................................33
4.2.2 TDC 的设计 .....................................................................................................................................35
4.2.3 DCO 的设计.....................................................................................................................................39
4.2.4 数字分频器的设计 .........................................................................................................................41
4.2.5 FRO 的设计 .....................................................................................................................................43
4.3 全数字锁相环的仿真 ................................................................................................................................44
4.3.1 数模混合仿真流程 .........................................................................................................................44
4.3.2 仿真分析 .........................................................................................................................................45
4.4 本章小结 ....................................................................................................................................................47
第五章 锁相环关键模块的后端设计 .....................................................................................................................48
5.1 数字 ASIC 的设计流程 .............................................................................................................................48
III
5.2 TDC 的后端设计 ........................................................................................................................................50
5.2.1 TDC 逻辑综合 .................................................................................................................................50
5.2.2 TDC 布局布线 .................................................................................................................................52
5.2.3 TDC 后仿真分析 .............................................................................................................................56
5.3 DCO 的版图及后仿真分析........................................................................................................................56
5.4 本章小结 ....................................................................................................................................................58
第六章 总结与展望 .................................................................................................................................................59
6.1 总结 ............................................................................................................................................................59
6.2 展望 ............................................................................................................................................................59
参考文献 ...................................................................................................................................................................60
附录 1 攻读硕士学位期间撰写的论文 ..................................................................................................................63
附录 2 攻读硕士学位期间申请的专利 ..................................................................................................................64
致谢 ...........................................................................................................................................................................65
IV
第一章 绪论
1.1 课题的研究背景及意义
1.1.1 锁相环的发展概况
锁相环(Phase-Locked Loop,PLL)电路使一个特殊系统跟踪另一个系统,更准确地讲,
它是一个使振荡器的输出信号与输入参考信号在频率和相位上同步的负反馈电路。当电路达
到锁定状态时,振荡器输出信号和参考信号的频率相等,相位差为零或者保持常数
[1-4]
。
锁相环技术从它的出现到发展至今已经有三百多年的历史。在1665年,荷兰天文学家、
物理学家Christiaan Huygens 就通过观察钟摆现象阐述了时钟同步的问题,标志着“锁相”概
念的出现,但由于科学技术条件的限制,并没有得到很好的研究与发展
[3-5]
。
随着人们对科学知识的追求, 逐渐推动了锁相环技术的逐步发展。 法国科学家De
Bellescize于1932年首次创建了锁相环的数学表达式和同步检波理论
[2-6]
,之后不久,锁相环技
术被应用于同步检波中。但由于当时的电路结构比较复杂,开销成本高,并没能得到广泛应
用。
随着锁相环技术的不断发展,在1947年,它已经被普遍地应用于电视机水平的同步电路
中,有效地抑制了来自外界的噪声对同步信号带来的干扰,改善了电视图像的同步性能,使
荧光屏幕上能够得到更清晰和稳定的图像
[4-6]
。
到1965年,首次出现了由分离元件实现的、纯粹的模拟集成锁相环
[4-6]
,它用模拟乘法器
构成鉴相器(Phase Detector,PD),无源 RC 滤波器构成环路滤波器(Loop Filter,LPF),利
用压控振荡器(Voltage-Controlled Oscillator,VCO)产生时钟输出信号。这种锁相环也称为
线性锁相环(Linearity Phase-Locked Loop,LPLL)。
到了1970年左右,有了数字锁相环(Digital PLL,DPLL)的出现,但此时只实现环路中
部分电路的数字化,其余部分仍然由模拟电路实现,所以它属于数模混合系统,最具代表性
的属电荷泵锁相环
[7]
。
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