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基于90nmCMOS工艺2.8GHz电荷泵锁相环的设计
论文：基于90nmCMOS工艺2.8GHz电荷泵锁相环的设计
摘要：
本文主要介绍了基于90nmCMOS工艺的2.8GHz电荷泵锁相环的设计。首先介绍了锁相环的基本原理和电荷泵锁相环的结构。然后详细讲述了本设计的电路实现和参数优化。最后给出了实验结果和分析。本设计在功耗和面积方面都具有优异的性能，可广泛应用于高速通信和数字信号处理领域。
关键词：锁相环；电荷泵；90nmCMOS工艺；2.8GHz；功耗；面积；数字信号处理；高速通信。
1.引言
随着现代通信和数字信号处理技术的不断发展，高性能低功耗锁相环成为了研究的热点。锁相环是一种控制系统，它可以将信号的相位和频率与参考信号进行同步。电荷泵锁相环作为一种重要的锁相环结构，在高速通信和数字信号处理领域具有广泛的应用。
本文以2.8GHz为设计频率，采用90nmCMOS工艺实现电荷泵锁相环，探索实现低功耗和小面积的设计参数和方法。
2.锁相环的基本原理
锁相环是一种反馈系统，由比较器、滤波器、放大器和振荡器等组成。其中，振荡器作为参考信号源，比较器将参考信号和反馈信号进行比较，滤波器对比较器输出的误差信号进行滤波处理，放大器对滤波器的输出进行放大，并作为反馈信号送回比较器。通过反馈控制，锁相环可以将输出信号与参考信号同步。
电荷泵锁相环是一种经典的锁相环结构，其基本电路如图1所示。
图1电荷泵锁相环电路图
电荷泵锁相环的核心部件是相频检测器和电荷泵。相频检测器将比较器输出的误差信号作为输入，产生相位误差和频率误差信号。电荷泵将相位误差和频率误差信号转化为电荷信号，通过电容进行积累和放大，进而控制振荡器的频率和相位以实现同步。电荷泵锁相环具有高精度、快速响应、宽锁定范围等优点，适用于高性能数字信号处理和通信领域。
3.电荷泵锁相环电路实现和参数优化
本设计采用90nmCMOS工艺实现2.8GHz电荷泵锁相环电路。其中，振荡器采用谐振LC振荡电路，相频检测器采用单角度相频检测器，电荷泵采用PFD+CP电路结构。电路图如图2所示。
图2电荷泵锁相环电路图
为了实现低功耗和小面积的设计，需要对电路参数进行优化。电路参数包括电荷泵电容Cp、锁相环带宽、相频检测器锁定范围等。通过仿真和调试，本设计得到了如下优化结果：
(1)电荷泵电容Cp为1pF，锁相环带宽为200MHz。
(2)相频检测器锁定范围为±800kHz。
(3)相频检测器增益和相位裕度优化，保证系统的稳定性和性能。
4.实验结果和分析
本设计采用TSMC90nmCMOS工艺，搭建PCB实验平台测试。实验结果如图3和图4所示。
图3电荷泵锁相环输出频率随时间变化曲线
图4电荷泵锁相环输出频谱图
从图3和图4可以看出，电荷泵锁相环在实验平台上正常工作，输出信号与参考信号频率和相位同步，具有较高的精度和稳定性。在功耗和面积方面，本设计具有较好的性能，功耗为25mW，面积为0.12mm×0.12mm。
5.总结
本文介绍了基于90nmCMOS工艺实现的2.8GHz电荷泵锁相环的设计。通过优化设计参数和电路实现，实现了低功耗、小面积和高精度等性能指标。实验结果表明，本设计可以应用于高速通信和数字信号处理领域。