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近年来,由于CMOS工艺技术的不断进步,器件的特征频率可以达到几个GHz或更高的水平,使得超大规模集成电路的设计研究受到越来越多的关注。无线通信系统中的电路逐渐采用CMOS工艺设计已成为一种趋势,因为这样的设计电路可以降低功耗,实现高度集成。还有一个诱人之处就是由于目前信号的处理主要采用数字方式实现,而绝大多数数字集成电路采用CMOS工艺进行设计,那么同样采用CMOS工艺对模拟电路设计就有可能将模拟部分与数字部分集成在一起,这正符合现在世界上单片集成混合系统的发展方向。
电荷泵是无线射频收发、数据恢复、时钟产生等芯片中很重要的电路,负责将数字信号相位差转化为等价的模拟电压值,是设计匹配精度要求很高的一个模块。本文主要针对2类三阶数模混合锁相环结构进行了系统模型分析,通过该系统模型,为电荷泵电路的设计提供理论指导。电荷泵由放电支路和充电支路组成,如果两条支路电流不相等,会产生电流失配;若支路还含有中间节点,则受控制信号脉冲的跳变影响,会产生电荷泄露;这些非理想效应降低了电荷泵的性能。本文在电荷泵设计中,采用共源共栅电流镜配合NMOS开关管得到了匹配电流;利用虚拟支路和源端开关的措施降低了电荷泄漏。其仿真结果为充放电电流11uA,最大电流失配为1.1%,线性输出范围达到[0.4V,1.6V]。
在仿真平台所需的信号源,即电荷泵前级鉴频鉴相器的设计中,本文对高频TSPC电路进行了优化,使得鉴频鉴相器具备功耗低,关键路径延迟小等优点。通过重置延迟与电荷泵开关时间的匹配,缩减了deadzone范围。
电荷泵电路设计采用Cadence Spectre仿真工具,0.18um CMOS工艺,电源电压1.8V。