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一种基于Ring-VCO结构的宽频带低抖动锁相环的设计与实现

2020年电子技术应用第5期

刘颖1，田泽1，2，吕俊盛1，2，邵刚1，2，胡曙凡1，李嘉1

1.航空工业西安航空计算技术研究所，陕西西安710068； 2.集成电路与微系统设计航空科技重点实验室，陕西西安710068

摘要： 为了在高速传输系统中实现宽频带和低抖动时钟输出的要求，设计了一种基于Ring-VCO结构的低抖动锁相环，采用与锁相环锁定频率强相关的环路带宽调整方法来降低环路噪声，加速环路锁定，即利用全局参考调节电路中比较器模块将锁定控制电压与参考电压比较来改变各模块电流，根据不同锁定频率调整环路参数，大大缩短了锁定时间，同时利用四级差分环形振荡器和占空比调整电路的差分对称结构，降低了电路噪声。电路采用40 nm CMOS工艺实现，测试结果表明输出频率为1.062 5 GHz~5 GHz，在最高时钟频率5 GHz下眼图质量良好，时钟抖动39.6 ps。

關(guān)鍵詞： 锁相环环形振荡器宽频低抖动

中圖分類號(hào)： TN432
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.191337
中文引用格式： 劉穎，田澤，呂俊盛，等. 一種基于Ring-VCO結(jié)構(gòu)的寬頻帶低抖動(dòng)鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2020，46(5)：35-39.
英文引用格式： Liu Ying，Tian Ze，Lv Junsheng，et al. Design and implement of a ring-VCO based PLL with wide frequency range and low jitter[J]. Application of Electronic Technique，2020，46(5)：35-39.

Design and implement of a ring-VCO based PLL with wide frequency range and low jitter

Liu Ying1，Tian Ze1，2，Lv Junsheng1，2，Shao Gang1，2，Hu Shufan1，Li Jia1

1.AVIC Computing Technique Research Institute，Xi′an 710068，China； 2.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Integrated Circuit and Micro-System Design，Xi′an 710068，China

Abstract： A ring-VCO based phase lock loop(PLL) is designed for achieving the wide frequency range and low jitter requirements of high speed communication system. By adjusting the loop bandwidth which is closely related to the lock-in frequency it reduces the loop noise and accelerates loop locking. Adopting the comparator in reference circuit to compare the locking control voltage with the reference voltage to flexibly change the current in other module, and adjusting the loop parameters according to different lock-in frequencies, the lock-in time is greatly reduced. At the same time, the differential symmetrical structure of the four-stage differential ring oscillator and duty cycle adjusting circuit is used to reduce the circuit noise. This chip is fabricated in 40 nm CMOS process, the measured results show that the output frequency is from 1.062 5 GHz to 5 GHz, the performance of the signal at 5 GHz is good and jitter is 39.6 ps.

Key words : phase lock loop；ring oscillator；wide frequency range；low jitter

0 引言

鎖相環(huán)作為時(shí)鐘產(chǎn)生的核心電路，以其寬頻帶、低抖動(dòng)、鎖定速度快等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在高速通信和電子傳輸系統(tǒng)中。最早的電荷泵鎖相環(huán)電路固定環(huán)路帶寬實(shí)現(xiàn)，輸出時(shí)鐘頻帶較窄，鎖定時(shí)間較長(zhǎng)。隨著高速、多協(xié)議的通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，要求鎖相環(huán)電路輸出頻率范圍廣及時(shí)鐘抖動(dòng)低，而固定環(huán)路帶寬的鎖相環(huán)電路結(jié)構(gòu)無法同時(shí)滿足輸出頻率范圍、各頻點(diǎn)鎖定時(shí)間及噪聲的要求^[1-2]，因此，鎖相環(huán)電路環(huán)路參數(shù)可調(diào)已成為主流電路結(jié)構(gòu)^[3-5]。常見的環(huán)路帶寬可調(diào)通過寄存器配置電荷泵、環(huán)路濾波器參數(shù)等方式實(shí)現(xiàn)，此類方法易實(shí)現(xiàn)，但操作較為機(jī)械，且與鎖定頻率非強(qiáng)相關(guān)，性能無法達(dá)到最優(yōu)。

因此，為了能夠拓寬鎖相環(huán)輸出頻帶，同時(shí)滿足輸出低抖動(dòng)時(shí)鐘的要求，本文提出了一種與鎖相環(huán)鎖定頻率強(qiáng)相關(guān)的環(huán)路帶寬調(diào)整方法，利用全局參考調(diào)節(jié)電路中比較器模塊將鎖定控制電壓V_ctrl與參考電壓V_ref電壓比較來改變各模塊電流，實(shí)現(xiàn)不同頻率下環(huán)路帶寬的調(diào)整，加速環(huán)路鎖定，降低鎖相環(huán)噪聲。另一方面，采用四級(jí)差分環(huán)形振蕩器結(jié)構(gòu)和占空比調(diào)整電路，以其差分對(duì)稱結(jié)構(gòu)降低電路噪聲，并在電路中引入LDO等方式進(jìn)行抖動(dòng)優(yōu)化^[6-9]。

論文詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)下載http://m.tom3567.com/resource/share/2000002787

作者信息:

劉穎1，田澤1，2，呂俊盛1，2，邵剛1，2，胡曙凡1，李嘉1

(1.航空工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西西安710068；

2.集成電路與微系統(tǒng)設(shè)計(jì)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710068)

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