CMOS锁相环设计:从电路到结构

本书基于广泛应用的CMOS锁相环（PLL）设计，首先通过直观的方式展示理论概念，并逐步建立更为实用的系统；其次详细阐述振荡器、相位噪声、模拟锁相环、数字锁相环、射频频率综合器、延迟锁定环、时钟和数据恢复电路以及分频器等重要主题；然后特别介绍高级拓扑结构下的高性能振荡器设计；最后通过广泛使用电路仿真来讲述设计要领，突出设计实践的重要性。本书提供了200多个引人深思的示例来说明设计方法和常见陷阱。本书可作为集成电路工程技术人员的案头工具书以及相关专业学生的参考书，以加深对锁相环设计的理解，提高设计能力。

毕查德·拉扎维（Behzad Razavi）于1988年和1992年在美国斯坦福大学电子工程系获得理学硕士和博士学位，现为美国加利福尼亚大学洛杉矶分校电气工程系的教授。他获得过众多的教育奖，包括2006年的洛克希德马丁杰出教学奖、2007年的UCLA杰出教学奖、2014年的美国工程教育学会PSW教学奖、2017年的IEEE CAS John Choma教育奖等。他曾在AT&T贝尔实验室工作，随后又受聘于惠普实验室。他是美国国家工程院院士和IEEE协会会士。

译者序<br />前言<br />致谢<br />第1章振荡器基础1<br />1.1振荡系统的基本组成1<br />1.2振荡反馈系统2<br />1.3深入理解3<br />1.4基本环形振荡器7<br />1.5基本LC振荡器10<br />1.5.1LC电路10<br />1.5.2LC振荡器作为反馈系统13<br />1.5.3LC振荡器作为单端系统18<br />1.6压控振荡器21<br />1.7本章附录23<br />习题24<br />参考文献25<br />第2章抖动和相位噪声26<br />2.1噪声的简单回顾26<br />2.1.1时域和频域的噪声26<br />2.1.2器件噪声27<br />2.1.3噪声的传播28<br />2.1.4噪声的平均功率29<br />2.1.5噪声频谱的近似29<br />2.1.6噪声随时间的积累30<br />2.2抖动和相位噪声的基本概念30<br />2.2.1抖动31<br />2.2.2相位噪声33<br />2.2.3窄带FM近似的局限性36<br />2.2.4抖动和相位噪声的关系37<br />2.2.5抖动的类型38<br />2.3相位噪声与功耗的折中39<br />2.4相位噪声的基本机制40<br />2.4.1相位噪声与频率噪声40<br />2.4.2环形振荡器41<br />2.4.3LC振荡器42<br />2.5抖动对性能的影响43<br />2.6相位噪声对性能的影响44<br />习题45<br />参考文献46<br />第3章基于反相器的环形振荡器设计47<br />3.1环形振荡器中的相位噪声47<br />3.2初始设计思想52<br />3.3获得期望频率53<br />3.3.1更大的节点电容53<br />3.3.2更多的级数53<br />3.3.3更长的晶体管沟道长度54<br />3.3.4分频55<br />3.4相位噪声的考虑因素55<br />3.4.1晶体管噪声仿真56<br />3.4.2振荡器参考相位噪声57<br />3.4.3第一种2 GHz振荡器相位噪声59<br />3.4.4第二种2 GHz振荡器相位噪声59<br />3.4.5第三种2 GHz振荡器相位噪声59<br />3.4.6第四种2 GHz振荡器相位噪声60<br />3.5频率调谐61<br />3.5.1调谐的考虑因素61<br />3.5.2连续调谐与离散调谐62<br />3.5.3通过可变电阻实现调谐63<br />3.5.4通过可变电容实现调谐67<br />3.6离散频率调谐69<br />3.7电源噪声问题71<br />3.7.1电压调节72<br />3.7.2电流调节72<br />习题74<br />参考文献75<br />第4章差分多相环形振荡器设计76<br />4.1一般考虑因素76<br />4.2相位噪声考虑因素77<br />4.3基本差分环形振荡器设计79<br />4.3.1初始设计79<br />4.3.2设计改进81<br />4.4获得期望频率83<br />4.4.1方法1：更大的节点电容83<br />4.4.2方法2：更大的晶体管83<br />4.4.3方法3：更多的级数84<br />4.5两级环形振荡器86<br />4.5.1基本思想86<br />4.5.2设计示例89<br />4.6线性缩放90<br />4.7调谐技术90<br />4.7.1电阻调谐90<br />4.7.2变容二极管调谐91<br />4.7.3级数调谐92<br />4.8基于反相器的环形振荡器与差分环形振荡器的比较93<br />4.9基于反相器的具有互补或正交输出的振荡器93<br />4.9.1耦合振荡器93<br />4.9.2相位噪声考虑因素94<br />4.9.3直接正交产生95<br />4.9.4插值正交产生97<br />4.10带LC负载的环形振荡器98<br />习题99<br />参考文献101<br />第5章LC振荡器设计102<br />5.1电感建模102<br />5.2相位噪声分析106<br />5.2.1一个简单案例106<br />5.2.2周期平稳噪声108<br />5.2.3交叉耦合对的噪声注入110<br />5.2.4相位噪声的计算113<br />5.3尾噪声115<br />5.3.1尾热噪声115<br />5.3.2尾闪烁噪声117<br />5.4尾电容的影响119<br />5.5设计步骤119<br />5.5.1初始想法119<br />5.5.2设计示例120<br />5.5.3频率调谐124<br />5.5.4振荡器设计步骤总结130<br />习题131<br />参考文献132<br />第6章高级振荡器133<br />6.1通过脉冲响应进行相位噪声分析133<br />6.1.1相位脉冲响应133<br />6.1.2闪烁噪声的影响137<br />6.1.3周期平稳噪声138<br />6.2电流限制与电压限制相位噪声138<br />6.3含互补交叉耦合对的振荡器139<br />6.3.1设计问题140<br />6.3.2设计示例141<br />6.4C类振荡器144<br />6.5分频降低相位噪声145<br />6.6正交产生技术147<br />6.6.1分频147<br />6.6.2正交LC振荡器147<br />习题155<br />参考文献156<br />第7章基本锁相环架构157<br />7.1鉴相器157<br />7.2基于反馈的相位控制158<br />7.3简单PLL的分析160<br />7.3.1静态行为160<br />7.3.2倍频161<br />7.3.3动态行为161<br />7.3.4PLL传递函数164<br />7.3.5简单PLL的缺点167<br />7.4鉴频鉴相器168<br />7.5电荷泵PLL170<br />7.5.1电荷泵170<br />7.5.2PFD/CP/电容级联170<br />7.5.3基础电荷泵PLL171<br />7.5.4PFD/CP/电容级联结构的传递函数171<br />7.5.5相位裕度的计算176<br />7.6高阶环路178<br />7.7基本电荷泵结构181<br />7.8建立时间182<br />习题182<br />参考文献183<br />第8章锁相环设计考虑184<br />8.1PLL传递函数的进一步解释184<br />8.2PFD 问题187<br />8.3电荷泵问题188<br />8.3.1Up和Down偏差188<br />8.3.2电压耐受性与沟道长度调制188<br />8.3.3随机失配190<br />8.3.4时钟馈通和电荷注入190<br />8.3.5其他电荷泵的非理想性因素190<br />8.4改进型电荷泵191<br />8.5带有离散VCO调谐的PLL193<br />8.6利用采样滤波器的纹波抑制193<br />8.7环路滤波器漏电流194<br />8.8减小滤波器电容量195<br />8.9带宽和杂散水平之间的权衡195<br />8.10PLL中的相位噪声196<br />8.10.1输入相位噪声整形197<br />8.10.2VCO相位噪声整形198<br />8.10.3电荷泵噪声201<br />8.10.4环路滤波器噪声203<br />8.10.5电源噪声204<br />习题205<br />参考文献206<br />第9章锁相环设计研究207<br />9.1设计流程207<br />9.2鉴频鉴相器设计208<br />9.3电荷泵设计208<br />9.3.1第一个CP设计208<br />9.3.2第二个CP设计211<br />9.3.3第三个CP设计212<br />9.3.4第四个CP设计212<br />9.3.5PFD/CP接口213<br />9.4PLL的行为仿真214<br />9.4.1环路简化214<br />9.4.2环路动态行为216<br />9.4.3纹波的影响216<br />9.5PLL传递函数的仿真217<br />9.5.1单极点近似217<br />9.5.2使用调频输入源217<br />9.5.3使用随机相位调制219<br />9.6VCO相位噪声的影响220<br />9.6.1VCO相位噪声模型220<br />9.6.2VCO相位噪声抑制221<br />9.7环路滤波器噪声222<br />9.8参考频率加倍222<br />9.8.1倍频器设计222<br />9.8.2倍频问题223<br />9.8.3带倍频参考频率的PLL设计224<br />9.8.4PLL仿真224<br />9.9反馈分频器设计224<br />9.9.1结构选择225<br />9.9.2分频器电路设计226<br />9.10使用锁定检测器进行校准226<br />9.11设计总结228<br />习题229<br />参考文献229<br />第10章数字锁相环230<br />10.1基本思想230<br />10.2ADC基础知识231<br />10.2.1量化231<br />10.2.2快闪型ADC232<br />10.2.3插值法233<br />10.3时间-数字转换233<br />10.3.1基础TDC拓扑结构233<br />10.3.2量化噪声的影响235<br />10.3.3TDC的动态范围236<br />10.3.4TDC的非理想性因素237<br />10.4晶体管级TDC设计238<br />10.5优化的TDC240<br />10.5.1游标型TDC240<br />10.5.2多路径TDC241<br />10.6TDC/振荡器的组合243<br />10.7数控振荡器245<br />10.7.1离散频率值的问题245<br />10.7.2DAC的工作原理246<br />10.7.3矩阵架构248<br />10.7.4粗调/细调DAC249<br />10.7.5DCO的拓扑结构249<br />10.8环路动态模型255<br />10.8.1数字滤波器的实现255<br />10.8.2模拟和数字锁相环之间的对应256<br />习题257<br />参考文献258<br />第11章延迟锁相环259<br />11.1基本思想259<br />11.2环路动态特性260<br />11.3延迟级数的选择261<br />11.4非理想性因素的影响262<br />11.4.1PFD/CP的非理想性因素262<br />11.4.2电源噪声262<br />11.4.3相位噪声263<br />11.5多个相位的产生264<br />11.6倍频DLL266<br />11.6.1基本拓扑266<br />11.6.2设计问题分析268<br />11.6.3倍频在错误锁定检测中的应用269<br />11.7DLL/PLL的混合269<br />11.8相位插值271<br />11.9高速PD设计273<br />11.10占空比校正274<br />习题275<br />参考文献276<br />第12章射频频率综合器277<br />12.1射频频率综合器的要求277<br />12.2整数N频率综合器278<br />12.3分数N频率综合器279<br />12.3.1模数随机化需求280<br />12.3.2噪声整形283<br />12.3.3离散时间模型286<br />12.3.4ΔΣ分数N频率综合器288<br />12.3.5高阶ΔΣ调制器289<br />12.4分数N环路中的非线性294<br />12.4.1电荷泵非线性295<br />12.4.2电荷泵建立行为296<br />12.5量化噪声的抑制方法297<br />12.5.1DAC前馈297<br />12.5.2DTC噪声消除299<br />12.5.3参考频率倍频299<br />习题301<br />参考文献302<br />第13章时钟和数据恢复基础知识303<br />13.1一般考虑因素303<br />13.2随机二进制数据的性质304<br />13.3边沿检测式时钟恢复306<br />13.4锁相式时钟恢复308<br />13.4.1bang-bang鉴相器309<br />13.4.2Alexander鉴相器312<br />13.4.3Hogge鉴相器317<br />13.5数据摆幅问题319<br />习题319<br />参考文献320<br />第14章高级时钟与数据恢复原理321<br />14.1半速率鉴相器321<br />14.1.1半速率bangbang鉴相器321<br />14.1.2半速率线性鉴相器322<br />14.2无振荡器的CDR架构325<br />14.2.1基于DLL的CDR电路325<br />14.2.2基于相位插值的CDR电路326<br />14.2.3数字CDR电路327<br />14.3频率捕获331<br />14.4抖动的特性332<br />14.4.1抖动的产生332<br />14.4.2抖动的传递函数333<br />14.4.3抖动的容限335<br />习题337<br />参考文献338<br />第15章分频器339<br />15.1一般考虑因素339<br />15.2锁存器设计样式340<br />15.2.1静态锁存器340<br />15.2.2动态锁存器344<br />15.3二分频电路设计348<br />15.4双模预分频器350<br />15.5RF频率综合器中的分频器设计354<br />15.5.1脉冲吞噬分频器354<br />15.5.2Vaucher分频器355<br />15.6Miller分频器357<br />15.7注入锁定分频器358<br />15.8分数分频器360<br />15.9分频器延迟和相位噪声362<br />习题363<br />参考文献364