基本信息
内容简介
书籍
计算机书籍
《CMOS集成锁相环电路设计》以CMOS锁相环及其在射频频率合成器和时钟恢复中的应用为主题，详细讨论了相关基础原理、系统考量和晶体管级实用电路设计。
全书共14章。第1～4章介绍了频率合成器应用和性能指标，锁相环的基本结构原理，子模块电路设计和噪声；第5～7章讨论了差分积分调制分数线锁相环设计；第8～9章讲述全数字锁相环设计和相位调制。第10～11章介绍振荡器设计、相位噪声和抖动；第12章讲述了延迟锁定环；第13章讨论了实用锁相环设计；第14章讲述了时钟和数据恢复电路设计。
《CMOS集成锁相环电路设计》系统介绍了CMOS集成锁相环设计的各个方面，可以作为高等院校工科微纳电子、集成电路设计、通信与电子系统等专业高年级本科和研究生教材，同时可作为模拟混合电路设计、射频通信电路系统设计人员的参考书。
计算机书籍
《CMOS集成锁相环电路设计》以CMOS锁相环及其在射频频率合成器和时钟恢复中的应用为主题，详细讨论了相关基础原理、系统考量和晶体管级实用电路设计。
全书共14章。第1～4章介绍了频率合成器应用和性能指标，锁相环的基本结构原理，子模块电路设计和噪声；第5～7章讨论了差分积分调制分数线锁相环设计；第8～9章讲述全数字锁相环设计和相位调制。第10～11章介绍振荡器设计、相位噪声和抖动；第12章讲述了延迟锁定环；第13章讨论了实用锁相环设计；第14章讲述了时钟和数据恢复电路设计。
《CMOS集成锁相环电路设计》系统介绍了CMOS集成锁相环设计的各个方面，可以作为高等院校工科微纳电子、集成电路设计、通信与电子系统等专业高年级本科和研究生教材，同时可作为模拟混合电路设计、射频通信电路系统设计人员的参考书。
作译者
张刚，美国卡耐基梅隆大学电子与计算机工程博士，清华大学电子工程微电子专业学士。近十年来在美国加州圣地亚哥高通公司射频模拟集成电路部工作，任资深高级工程师，主持设计多款大规模生产的射频频率合成器，现有9项己获批美国专利。在加州大学圣地亚哥分校任兼职助理教授，讲授射频频率合成和时钟恢复的研究生课程。曾应邀于清华大学和北京大学微电子所讲授短期高级锁相环课程。
目录
《CMOS集成锁相环电路设计》
第1章锁相环导论1
1.1锁相环的工作原理简述1
1.2锁相环在射频频率合成器中的应用3
1.3相位噪声4
1.4频率合成器的其他重要指标8
1.4.1锁定时间和锁定频率范围8
1.4.2杂散8
1.4.3时钟抖动10
参考文献10
第2章锁相环系统基本原理11
2.1锁相环的基本结构和子模块11
2.2一类锁相环13
2.3二类锁相环15
2.4锁相环离散时间采样系统特性18
参考文献20
第3章锁相环基本模块电路21
3.1鉴频鉴相器21
3.2电荷泵设计23
3.2.1电荷泵的工作原理23
第1章锁相环导论1
1.1锁相环的工作原理简述1
1.2锁相环在射频频率合成器中的应用3
1.3相位噪声4
1.4频率合成器的其他重要指标8
1.4.1锁定时间和锁定频率范围8
1.4.2杂散8
1.4.3时钟抖动10
参考文献10
第2章锁相环系统基本原理11
2.1锁相环的基本结构和子模块11
2.2一类锁相环13
2.3二类锁相环15
2.4锁相环离散时间采样系统特性18
参考文献20
第3章锁相环基本模块电路21
3.1鉴频鉴相器21
3.2电荷泵设计23
3.2.1电荷泵的工作原理23
前言
锁相环设计是现代集成电路设计中的一个重要课题，在射频无线通信、高速有线通信、光纤通信以及高性能数字电路等领域中都占有重要的地位。而且，锁相环作为电路设计理论中最重要的混合信号负反馈系统之一，是一个合格的射频及混合信号集成电路设计师必须了解和掌握的一项电路设计专业知识。频率合成器是锁相环在通信电路中最重要的应用，在任何一个无线接收发射器中都可以找到多个频率合成器。了解和掌握频率合成器性能指标、系统和电路单元设计，是一名通信集成电路设计师必备的专业素养。锁相环的另一个重要应用是时钟和数据恢复，主要应用于高速有线通信，包括光纤通信和金属导线通信。
近20年以来，随着无线通信设备、无线智能终端的普及和高速互联网络的发展，包括频率合成器和时钟恢复电路在内的通信电路设计技术都取得了长足的进步，尤其是基于大规模量产和较低成本CMOS工艺的射频集成电路设计已经成为工业界的主流。任何实用的射频电路设计的知识，都应该是基于CMOS工艺和器件的实现。
随着中国30多年飞速的发展，国内已经形成了对无线通信设备和终端具有巨大需求的市场。相应地，在国内出现了许多本土和来自海外的射频集成电路设计和生产厂商，射频集成电路设计的水准和对这方面人才的需求也大幅上升。但是在此方面的教学和专业培训却相对滞后，尤其是大学教科书，还是停留在翻译国外教材或沿用老化的教材，和其他相关领域如计算机教材形成很大的反差。随着中国集成电路设计产业的发展壮大，据笔者了解，广大的设计人员苦于没有一本跟上学科前沿、选材契合设计实践的中文参考书。
即便在国外已有的参考书中，大部分已出版多年，虽然会在再版时更新和补充一些新的内容，但仍无法跟上技术的进步。比如很多关于锁相环的参考书是基于反馈控制理论来讲述的，包含了大量的控制理论，却没有结合集成电路设计。还有很多锁相环的参考书选材过于庞杂，涵盖了大量的控制理论和通信信号处理，等等，和锁相环集成电路的设计基本没有任何直接的联系。另外一类锁相环参考书则选题非常狭窄和专业，比如只讲述全数字锁相环等非常专门的知识，这类参考书通常是由某博士论文直接改编或一组专业论文编纂而来的，很难针对广大的集成电路设计人员和院校中的研究人员。CMOS集成锁相环电路设计前言[1][2][2]本书以锁相环及锁相环在射频频率合成器和时钟恢复中的应用为主题，以集成CMOS为电路实现方法，详细讨论从基础原理、系统考量和晶体管级电路设计细节到实际设计生产中遇到的实际问题，尽力给广大工业界集成电路设计人员和院校研究机构研究人员和研究生提供一本原理清晰透彻、设计讲解详细丰富、内容前沿实用的集成电路设计参考书。
从选材来看，从锁相环负反馈原理出发，先介绍锁相环及频率合成器在通信电路中的应用和性能，然后由锁相环基本结构、主要模块电路设计细节逐渐深入到基于差分积分调制器的分数型锁相环设计，包括其核心的差分积分调制器设计，接着扩展到最前沿的全数字锁相环设计和基于锁相环的相位调制。在锁相环设计之外，专门介绍压控振荡器的设计，包括电容电感振荡器和环振荡器设计；此外介绍了基于延迟锁定环的频率合成器，最后指出在实际锁相环设计生产中的问题。由于时钟和数据恢复电路设计较为独立，自成一体，在第14章中单独进行介绍。从其在高速有线通信中的应用背景出发，先介绍其主要设计指标、基本环路结构，然后讲解基本子电路模块，包括全速率和半速率线性和二进制鉴相器、鉴频器和电荷泵等，最后以基于相位内插值的数字时钟恢复电路结束。
本书主要内容安排如下:
第1章简单介绍锁相环的基本结构和工作原理，然后详细讨论锁相环应用于射频频率合成器的主要性能指标，尤其强调的是相位噪声的概念和在接收与发射器应用中的指标推导，其他主要指标包括杂散、锁定时间、时钟抖动等。
第2章基于经典控制理论和小信号线性模型，详细讲述了一类和二类锁相环系统原理和环路传递函数，通过相位裕量和根轨迹讨论环路稳定性；最后指出锁相环本质上是一个离散时间和连续时间系统的混合体，并给出了两者之间界面的频域响应，包括离散采样和零阶保持。
第3章深入到锁相环各个子模块的CMOS晶体管级电路设计，重点讨论了电荷泵的非理想性以及应用最为广泛的几种CMOS电荷泵设计方法，详细介绍了分频器、主要的双模预定标器、多模预定标器和高速可编程计数器的结构原理和晶体管级电路设计。
第4章将重点转向锁相环噪声分析，首先介绍了各种器件噪声源，然后更进一步深入讨论噪声随机过程和离散时间系统噪声的一些本质特性，通过讨论时钟缓冲器和分频器噪声，引入噪声离散采样和噪声混叠的概念；在介绍电荷泵电流噪声及其开关调制之后，讨论锁相环中各个噪声源到输出相位噪声的噪声传递函数，并分析了锁相环设计参数和输出噪声的关系。
第5～7章以应用最为广泛的基于差分积分调制器 (DSM) 的分数型锁相环设计为主要对象。第5章首先从整数锁相环的缺点引入分数锁相环的概念，通过例子详细介绍DSM 锁相环的工作原理，尤其是DSM噪声整形和DSM噪声在锁相环中的传递过程。第5章同时还介绍了较为新颖的欠采样整数型锁相环的原理和设计。第6章深入介绍DSM本身的设计要求和方法，包括DSM常用的结构类型、重要设计指标和具体设计步骤。第7章则转向高级宽带低噪声分数锁相环的设计方法，尤其是DSM噪声补偿的系统设计。同时指出锁相环模块，包括电荷泵和分频器非线性和DSM噪声混叠的关系，以及提高锁相环线性度的主要方法。最后详细介绍了应用广泛的最小二乘法自校准算法在锁相环DSM噪声补偿应用中的实现。
第8章介绍近年出现的全数字锁相环的概念和设计，分别介绍时间数字转换器在前向通道和反馈回路两种不同的全数字锁相环结构，并指出其优缺点。子电路着重讲述了时间数字转换器和数字控制振荡器的电路设计，包括较为新颖的具有噪声整形的时间数字转换器设计。在该章还介绍了基于二进制鉴相器的全数字锁相环(bangbang锁相环) 的原理。最后对全数字锁相环和经典模拟锁相环的优缺点进行了比较。
第9章结合前面几章中介绍的锁相环结构，着重讲述锁相环在相位调制中的应用，引入了两点相位调制的概念和系统设计，给出了在模拟锁相环和全数字锁相环中的实现方法。另外还介绍了以模拟偏置锁相环实现相位调制的方法。
第10章和第11章以振荡器设计为重点。第10章首先介绍了振荡器基本原理和电容、电感器件原理，讨论了品质因子的几个本质定义；然后基于线性反馈模型和广义品质因子定义，给出了经典线性时不变相位噪声模型；详细讨论了线性时变振荡器相位噪声模型，尤其是时变噪声和时变噪声到相位传递函数的概念，并给出相应的降低相位噪声的设计方法；以负跨导振荡器为主要的电容电感振荡器的例子，结合相位噪声理论来讨论其设计方法；最后指出线性时变相位噪声模型的局限性，并给出了相位噪声的精确模型。作为较高级的内容，本章介绍了注入锁定和注入牵引的概念和原理。在第11章中，则将注意力转向环振荡器的设计，同时通过对环振荡器相位噪声的基本物理分析，给出其相位噪声性能的特性；同时介绍了振荡器频域相位噪声和时域时钟抖动之间的本质联系和换算方法。
第12章着重介绍基于延迟锁定环的频率合成器。首先介绍了延迟锁定环的原理特性，包括环路传递函数的推导；然后着重介绍了时钟沿组合产生时钟的方法，包括产生分数频率的方法，并提出通用的基于DSM的时钟沿组合，产生分数频率的频率发生器；最后讲述倍乘延迟锁定环的概念和原理。
第13章将重点放在锁相环和频率合成器的实用设计，着重讲述了在实际工业量产的锁相环设计中，对参考杂散和分数杂散的有效抑制方法， 包括版图设计、电源和地线的正确连接方法、片外电源的隔离、分数杂散的机理和辨别方法等；同时也介绍了振荡器在实际生产中的设计要求，包括电源隔离、粗调开关电容的设计、振荡器频率的温度漂移等。
第14章将时钟和数据恢复电路从其他锁相环应用中分立出来单独讨论。首先介绍了时钟数据恢复电路在有线通信中的应用背景；然后讨论了时钟数据恢复锁相环环路的基本原理，介绍了主要性能指标和环路特性；接着深入介绍各个子模块的电路设计细节，包括线性鉴相器、二进制鉴相器、半速率鉴相器、四相位鉴频器和电荷泵；最后以全数字时钟数据恢复电路为例，讲解了主要的数据恢复系统架构形式。
在附录中，列出锁相环设计中用到的主要术语的中英文对照，既可避免术语翻译的歧义，也方便读者查阅英文参考文献时与本书内容对照比较。
本书是笔者在国内和国外学习工作多年，尤其是近10年在美国高通公司射频模拟集成电路设计部从事一线设计工作的经验所得，以及基于笔者在加州大学圣地亚哥分校教授锁相环设计课程的讲义材料。仅希望本书能对全国广大集成电路设计人员和院校学生研究人员的工作学习提供一些参考和帮助。由于写作时间仓促以及作者学识所限，疏漏不足之处还望读者指正。
2013年5月
近20年以来，随着无线通信设备、无线智能终端的普及和高速互联网络的发展，包括频率合成器和时钟恢复电路在内的通信电路设计技术都取得了长足的进步，尤其是基于大规模量产和较低成本CMOS工艺的射频集成电路设计已经成为工业界的主流。任何实用的射频电路设计的知识，都应该是基于CMOS工艺和器件的实现。
随着中国30多年飞速的发展，国内已经形成了对无线通信设备和终端具有巨大需求的市场。相应地，在国内出现了许多本土和来自海外的射频集成电路设计和生产厂商，射频集成电路设计的水准和对这方面人才的需求也大幅上升。但是在此方面的教学和专业培训却相对滞后，尤其是大学教科书，还是停留在翻译国外教材或沿用老化的教材，和其他相关领域如计算机教材形成很大的反差。随着中国集成电路设计产业的发展壮大，据笔者了解，广大的设计人员苦于没有一本跟上学科前沿、选材契合设计实践的中文参考书。
即便在国外已有的参考书中，大部分已出版多年，虽然会在再版时更新和补充一些新的内容，但仍无法跟上技术的进步。比如很多关于锁相环的参考书是基于反馈控制理论来讲述的，包含了大量的控制理论，却没有结合集成电路设计。还有很多锁相环的参考书选材过于庞杂，涵盖了大量的控制理论和通信信号处理，等等，和锁相环集成电路的设计基本没有任何直接的联系。另外一类锁相环参考书则选题非常狭窄和专业，比如只讲述全数字锁相环等非常专门的知识，这类参考书通常是由某博士论文直接改编或一组专业论文编纂而来的，很难针对广大的集成电路设计人员和院校中的研究人员。CMOS集成锁相环电路设计前言[1][2][2]本书以锁相环及锁相环在射频频率合成器和时钟恢复中的应用为主题，以集成CMOS为电路实现方法，详细讨论从基础原理、系统考量和晶体管级电路设计细节到实际设计生产中遇到的实际问题，尽力给广大工业界集成电路设计人员和院校研究机构研究人员和研究生提供一本原理清晰透彻、设计讲解详细丰富、内容前沿实用的集成电路设计参考书。
从选材来看，从锁相环负反馈原理出发，先介绍锁相环及频率合成器在通信电路中的应用和性能，然后由锁相环基本结构、主要模块电路设计细节逐渐深入到基于差分积分调制器的分数型锁相环设计，包括其核心的差分积分调制器设计，接着扩展到最前沿的全数字锁相环设计和基于锁相环的相位调制。在锁相环设计之外，专门介绍压控振荡器的设计，包括电容电感振荡器和环振荡器设计；此外介绍了基于延迟锁定环的频率合成器，最后指出在实际锁相环设计生产中的问题。由于时钟和数据恢复电路设计较为独立，自成一体，在第14章中单独进行介绍。从其在高速有线通信中的应用背景出发，先介绍其主要设计指标、基本环路结构，然后讲解基本子电路模块，包括全速率和半速率线性和二进制鉴相器、鉴频器和电荷泵等，最后以基于相位内插值的数字时钟恢复电路结束。
本书主要内容安排如下:
第1章简单介绍锁相环的基本结构和工作原理，然后详细讨论锁相环应用于射频频率合成器的主要性能指标，尤其强调的是相位噪声的概念和在接收与发射器应用中的指标推导，其他主要指标包括杂散、锁定时间、时钟抖动等。
第2章基于经典控制理论和小信号线性模型，详细讲述了一类和二类锁相环系统原理和环路传递函数，通过相位裕量和根轨迹讨论环路稳定性；最后指出锁相环本质上是一个离散时间和连续时间系统的混合体，并给出了两者之间界面的频域响应，包括离散采样和零阶保持。
第3章深入到锁相环各个子模块的CMOS晶体管级电路设计，重点讨论了电荷泵的非理想性以及应用最为广泛的几种CMOS电荷泵设计方法，详细介绍了分频器、主要的双模预定标器、多模预定标器和高速可编程计数器的结构原理和晶体管级电路设计。
第4章将重点转向锁相环噪声分析，首先介绍了各种器件噪声源，然后更进一步深入讨论噪声随机过程和离散时间系统噪声的一些本质特性，通过讨论时钟缓冲器和分频器噪声，引入噪声离散采样和噪声混叠的概念；在介绍电荷泵电流噪声及其开关调制之后，讨论锁相环中各个噪声源到输出相位噪声的噪声传递函数，并分析了锁相环设计参数和输出噪声的关系。
第5～7章以应用最为广泛的基于差分积分调制器 (DSM) 的分数型锁相环设计为主要对象。第5章首先从整数锁相环的缺点引入分数锁相环的概念，通过例子详细介绍DSM 锁相环的工作原理，尤其是DSM噪声整形和DSM噪声在锁相环中的传递过程。第5章同时还介绍了较为新颖的欠采样整数型锁相环的原理和设计。第6章深入介绍DSM本身的设计要求和方法，包括DSM常用的结构类型、重要设计指标和具体设计步骤。第7章则转向高级宽带低噪声分数锁相环的设计方法，尤其是DSM噪声补偿的系统设计。同时指出锁相环模块，包括电荷泵和分频器非线性和DSM噪声混叠的关系，以及提高锁相环线性度的主要方法。最后详细介绍了应用广泛的最小二乘法自校准算法在锁相环DSM噪声补偿应用中的实现。
第8章介绍近年出现的全数字锁相环的概念和设计，分别介绍时间数字转换器在前向通道和反馈回路两种不同的全数字锁相环结构，并指出其优缺点。子电路着重讲述了时间数字转换器和数字控制振荡器的电路设计，包括较为新颖的具有噪声整形的时间数字转换器设计。在该章还介绍了基于二进制鉴相器的全数字锁相环(bangbang锁相环) 的原理。最后对全数字锁相环和经典模拟锁相环的优缺点进行了比较。
第9章结合前面几章中介绍的锁相环结构，着重讲述锁相环在相位调制中的应用，引入了两点相位调制的概念和系统设计，给出了在模拟锁相环和全数字锁相环中的实现方法。另外还介绍了以模拟偏置锁相环实现相位调制的方法。
第10章和第11章以振荡器设计为重点。第10章首先介绍了振荡器基本原理和电容、电感器件原理，讨论了品质因子的几个本质定义；然后基于线性反馈模型和广义品质因子定义，给出了经典线性时不变相位噪声模型；详细讨论了线性时变振荡器相位噪声模型，尤其是时变噪声和时变噪声到相位传递函数的概念，并给出相应的降低相位噪声的设计方法；以负跨导振荡器为主要的电容电感振荡器的例子，结合相位噪声理论来讨论其设计方法；最后指出线性时变相位噪声模型的局限性，并给出了相位噪声的精确模型。作为较高级的内容，本章介绍了注入锁定和注入牵引的概念和原理。在第11章中，则将注意力转向环振荡器的设计，同时通过对环振荡器相位噪声的基本物理分析，给出其相位噪声性能的特性；同时介绍了振荡器频域相位噪声和时域时钟抖动之间的本质联系和换算方法。
第12章着重介绍基于延迟锁定环的频率合成器。首先介绍了延迟锁定环的原理特性，包括环路传递函数的推导；然后着重介绍了时钟沿组合产生时钟的方法，包括产生分数频率的方法，并提出通用的基于DSM的时钟沿组合，产生分数频率的频率发生器；最后讲述倍乘延迟锁定环的概念和原理。
第13章将重点放在锁相环和频率合成器的实用设计，着重讲述了在实际工业量产的锁相环设计中，对参考杂散和分数杂散的有效抑制方法， 包括版图设计、电源和地线的正确连接方法、片外电源的隔离、分数杂散的机理和辨别方法等；同时也介绍了振荡器在实际生产中的设计要求，包括电源隔离、粗调开关电容的设计、振荡器频率的温度漂移等。
第14章将时钟和数据恢复电路从其他锁相环应用中分立出来单独讨论。首先介绍了时钟数据恢复电路在有线通信中的应用背景；然后讨论了时钟数据恢复锁相环环路的基本原理，介绍了主要性能指标和环路特性；接着深入介绍各个子模块的电路设计细节，包括线性鉴相器、二进制鉴相器、半速率鉴相器、四相位鉴频器和电荷泵；最后以全数字时钟数据恢复电路为例，讲解了主要的数据恢复系统架构形式。
在附录中，列出锁相环设计中用到的主要术语的中英文对照，既可避免术语翻译的歧义，也方便读者查阅英文参考文献时与本书内容对照比较。
本书是笔者在国内和国外学习工作多年，尤其是近10年在美国高通公司射频模拟集成电路设计部从事一线设计工作的经验所得，以及基于笔者在加州大学圣地亚哥分校教授锁相环设计课程的讲义材料。仅希望本书能对全国广大集成电路设计人员和院校学生研究人员的工作学习提供一些参考和帮助。由于写作时间仓促以及作者学识所限，疏漏不足之处还望读者指正。
2013年5月
