0.18μm CMOS工艺下基于TDC的高性能全数字锁相环设计与仿真

随着集成电路技术的飞速进步，全数字锁相环（ADPLL, All-Digital Phase-Locked Loop）作为现代超大规模集成电路中的核心组成部分，因其灵活性、高精度和低功耗特性，被广泛应用于各种高速时钟同步和频率合成应用。本文主要研究和设计了一种基于时间数字转换器（TDC, Time-Digital Converter）的全数字锁相环。 全数字锁相环的关键在于其摒弃了传统的模拟相位比较环节，而是完全依赖于数字信号处理技术。文章首先概述了锁相环的基本概念和发展历程，包括其分类和常见的应用领域，如通信系统、雷达和无线通信等。接着，着重讨论了全数字锁相环的系统架构，包括鉴相器、时间数字转换器、数控振荡器和数字分频器等子模块。鉴相器负责比较输入信号与参考信号的相位差，TDC则用来量化这个相位差并将其转化为数字信号。数控振荡器用于产生参考信号，通过与输入信号进行比较，确保输出信号与参考信号保持同步。数字分频器则可以根据需要调整输出频率，提供灵活的频率调节能力。 本文的核心创新在于针对传统TDC在时数转换准确性和测量范围上的局限，设计了一种带有上升沿检测电路的TDC，提高了时钟精度和相位测量范围。同时，通过采用一个环形振荡器提供多相参考时钟，实现了对工艺、电压和温度变化的补偿，增强了锁相环的稳定性。另外，通过简化数控振荡器结构和使用可编程任意整数分频器，优化了电路性能，保持了反馈时钟波形的50%占空比，减少了电路复杂度和面积。 设计过程中，作者遵循了从顶层设计到低级实现的自顶向下方法，使用0.18微米CMOS标准数字逻辑工艺。RTL级设计验证了锁相环在64MHz到640MHz的锁定输出频率范围内，以及27到70的分频系数范围内的稳定工作。在10MHz参考频率下，环路锁定时间保持在12微秒以内，展示了优秀的时间响应性能。 本文不仅提供了理论分析，还涉及了数字模块的具体设计实现策略，以及数字集成电路开发设计和数模混合仿真的详细流程。这项研究旨在提升全数字锁相环的性能和可靠性，为高性能时钟电路设计提供了实用的解决方案。