基于集成电路构成的振荡器电路的设计
摘要：随着通信与电子系统的快速发展，PLL锁相环已经成为集成电路设计中必不可少的一个部分，所以对锁相环的研究已经成为了驱动现代电子设备发展的重要环节。本次设计的主要任务是采用CMOS工艺、PFD、VCO、LPF器件研究一种以版图和逻辑线路图为主的PLL电路。锁相环的作用是一种反馈电路,用于生成与输出信号相位相同的新的信号的电路。本文介绍了PLL锁相环电路及压控振荡器的原理跟版图设计。
关键词: PLL锁相环电路、鉴频鉴相器、压控振荡器 、环路滤波器、版图。
Design of oscillator circuit based on integrated circuit
Abstract:With the rapid development of communication and electronic systems, PLL PLL has become an indispensable part of integrated circuit design, so the research on PLL has become an important link driving the development of modern electronic equipment. The main task of this design is to use CMOS process, PFD, VCO, LPF devices to research a layout and logic circuit diagram based PLL circuit. A PLL is a feedback circuit used to generate a new signal with the same phase as the output signal. This paper introduces the principle and layout design of PLL PLL circuit and vco.
Keywords:PLL circuit; frequency discriminator; vco; loop filter; ayout.
目录
第一章 绪论 4
1.1 振荡器中锁相技术的发展 4
1.2 振荡器中PLL锁相环的基本特性 5
1.3 振荡器中PLL锁相环的应用领域 5
1.4 课题的目标及意义 7
第二章 基于CMOS锁相环的电路设计 8
2.1 锁相环的基本组成 8
2.2 振荡器中锁相环的工作原理 10
2.3 鉴频鉴相器（PFD） 11
2.4 环路滤波器（LPF） 12
2.5 压控振荡器（VCO） 13
2.5.1 压控振荡器的产生 13
2.5.2 压控振荡器的原理 13
2.5.3 压控振荡器的应用 13
第三章 基于CMOS锁相环的版图与逻辑线路图设计 14
3.1 逻辑线路图设计 14
3.2 版图设计 16
3.2.1 采用的工艺 16
3.2.2 版图设计规则 17
3.2.3 所用器件说明 19
3.2.4 制版层次 20
3.2.5 环路滤波器的电路图跟版图（整图见附录） 22
3.2.6 鉴频鉴相器的电路图跟版图 23
3.2.7 压控振荡器的电路图跟版图 24
第四章 版图绘制的规则检查 26
4.1 版图设计规则检查 26
4.1.1 DRC规则检查 26
4.1.2 LVS规则检查 26
4.2 注意事项 30
第五章 结束语 32
致谢 33
参考文献 34
附录一 35
附录二 36
第一章 绪论
1.1 振荡器中锁相技术的发展
1930年提出的锁相，近年来被快速的应用于电学和集成电路领域中。在20世纪，30年代法国一位杰出的工程师提出了检测相位自动追踪的原理，第一次对锁相环进行一定的研究跟表述，PLL在1930年开始被逐步用来对电子设备进行环路的自动追踪。电视技术于1940年起得到快速发展以后，电视机的信号反馈与参考信号的相位同步分别从横向扫描器和同步分离器中获得。
在20世纪50年代，电子设备在这一年中得到了快速发展，偏置信号有一个初始的偏置电流让VCO起整产生初始频率，达到同相位同频率即可进行自动追踪。PLL在各行各业都有普遍的发展比如实现了宇宙航天飞行的自动跟踪。遥控和遥测等方面做出了巨大的奉献。到了1960年，锁相环在迅速发展的数字通信技术的推动下在各行各业都得到了普遍的应用，例如：偏置信号提供偏置电流给后面的振荡器跟LPF提供偏置，调整电阻大小可以改变偏置电流大小，然后经过滤波器改变振荡器的振荡频率实现锁相功能。因为锁相环受到成本过高的限制，所以它一般用于像航天飞行器的自动追踪，以及集成电路MCU的设备设计中。1970年左右，在通信急速发展的推动下，锁相环技术得到较为普遍的使用，尤其是在MCU跟通信设备，多种集成电路运用到了锁相这一原理。到了现在，锁相环路理论越发系统化，对它的研究更加完善，在整个电子技术领域有了充足的应用，在飞速成长的通信及电子系统的影响下，集成锁相环和数字锁相环也得到了相应的发展，已经有很非富的品种，我们的工作就向着提高系统的工作稳定性、可靠性和小型化努力。现阶段，我们仍朝着一体化化、数字化、多用途的方向发展。到了80年份越来越成熟的大规模集成电路技术，促使了更多的集成锁相环，锁相环向低成本、高性能转变，从而使锁相环可以应用在许多领域。振荡器中的锁相环作为一个基本的IP核，在无线通信和微处理器的时钟电路得到充足的应用，使得人们更加关注其工作频率、功耗、噪声特性、锁定速度、芯片面积、工艺成本和设计成本等方面。
1.2 振荡器中PLL锁相环的基本特性
PLL锁相环路有很多的优点就比如它的成本不高，并且使用方法也比较简单，因为这些原因所以使得它在电子通信领域得到越来越多的关注跟使用，随着科技的进步跟电子信息技术的的发展，锁相环路也得到了不断地完善，不断地更新跟发展，总结起来，锁相环路比较吸引人的原因有以下几点：
(1) 锁定特性 ：锁相环路有两个输入信号也就是反馈信号跟参考信号他们经过鉴相器输出他们的相位差，然后通过LPF滤除一些不需要的波形，输出需要的直流信号（交流信号少的直流信号），最后通过我们的VCO振荡器改变他们的振荡频率，直至电路的相位相同，频率相同即可实现目标的自动追踪。
(2) 载波跟踪特性：有载波成分在signal中，不管锁相环路的信号是不是调制过的，都可以把该环路设计成一个窄带跟踪滤波器，因此要实现锁相环路的自动追踪是需要通过改变相位跟频率直到他们都相同。
(3) 调制跟踪特性：两个输入信号（也就是反馈信号跟参考信号）经过鉴相器跟滤波器输出他们的相位跟直流信号，并输入到压控振荡器中，这个初始的偏置电流让VCO产生初始频率，在经过数次调频跟调相后直到同相位，同频率，环路进行自动追踪。就是复制输入角度调制信号，调制跟踪特性就是这样。而我们应用环路的调制跟踪特性，可以制做成许多东西，例如，角调制信号的调制器与解调器。
(4) 低门限特性：振荡器中的锁相环路是由环路信噪比控制的，而一般非线性器件，门限取决于输入信噪比，这是不一样的。环路输入端的前置通频带通常情况下都会比环路的通频带宽好多，输入信噪比相对于环路信噪比较低，在低输入信噪比的情况下，环路可以工作的更好，就是环路拥有低门限的良好特点。 像这样，将环路设计成窄带，就可以把微弱信号从噪声中提取出来。想要获得门限的扩展效果，可将该环路用于解调调频、调相信号，为了使误码率减少，可将该环路用于解调数字调制信号。
1.3 振荡器中PLL锁相环的应用领域
鉴于锁相环路相对于其他电路有这么多的优点，在各方面都有良好的特性，技术的进步又促进了集成锁相环的出现，致使锁相环路可以应用在很多不同的领域，尤其在电子领域中更是得到了广泛的推广。本次设计研究的就是这个，我下面将简单的叙述一下在各种各样领域中锁相环的不同应用。
通信方面：
（1）短波，超短波发
（2）有线通信中的载波供给
（3）各种通信设备中的调制、遥测以及遥控
导航设备：
在航天航空、飞机和轮船等各种通讯设备中实现了自动追踪跟自动定位 。
空间技术中：
主要用于国家的航空检测，比如飞船、火箭与航天飞行过程中的定轨、遥感、遥测技术。
电视及高保真设备：
（1）电视机同步
（2）门限扩展解调
（3）色差副载波提取与色差信号的同步检波
（4）四声道解调器（CD-4）
（5）走带电机速度控制
计算机 ：
大部分情况下供给计算机各种钟频信号，或者用在同步或控制磁盘转速。
测量仪表 ：
（1）频率合成器
（2）自锁信号发生器
（3）相位噪声测试仪
（4）频谱分析仪
（5）锁相计数器
（6）阻抗测试仪
（7）电平振荡器
（8）频偏仪
（9）微波固态源
（10）微波功率放大器
（11）微波相位调整器等仪表中
1.4 课题的目标及意义
锁相环路是一种实现相位自动追踪的技术。锁相环PLL(Phase-Locked Loop)就是利用锁相环技术制造出来的，它是一个闭环的相位自动控制系统，当它的输入信号有相位变化时，它的输出信号能够发现这种变化并且自动跟踪，根据这个特点我们把这项技术命名叫一个相位差自动跟踪系统，这个系统可以把相位差跟踪到，这样我们就可以通过一个反馈系统来自动的调节输出信号的变化，使之更加灵活。在各种各样的电子设备中，锁相环都得到了广泛的应用，所以研究它对于我们有着很深的影响。
参考文献
[1] 万心平.集成锁相环路原理、特性及应用[M](北京:人民邮电出版社，1996.
[2] 庄卉.锁相与频率合成技术[M]. 北京:气象出版社，1996.
[3] 胡华春.数字锁相环路原理与应用[M]. 上海:上海科技出版社，1990.
[4] 尚玉全，曾云，滕涛，高云，等.湖南大学微电子研究所，《CMOS图像传感器及其研究》国外电子元器件，2006.4.
[5] 重庆光电技术研究所，《CMOS图像传感器的技术进展及市场分析》国外电子元器件，2008.12.
