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研究生: 鄭仲凱
Chung-Kai Cheng
論文名稱: 全數位式鎖相迴路智財設計與驗證
The Design and Verification of an ADPLL IP
指導教授: 林銘波
Ming-Bo Lin
口試委員: 詹景裕
Ching-Yuh Jan
呂紹偉
Shao-Wei Leu
陳郁堂
Yie-Tarng Chen
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電資學院 - 電子工程系
Department of Electronic and Computer Engineering
論文出版年: 2007
畢業學年度: 96
語文別: 中文
論文頁數: 57
中文關鍵詞: 鎖相迴路全數位智財時間至數位轉換
外文關鍵詞: phase-locked loops, all digital, IP, time to digital
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  • 近年來鎖相迴路(Phase-Locked Loops)已廣泛應用於各種電腦工業、通訊電子產品及消費性電子產品,諸如頻率合成器(Frequency Synthesizer)、資料/時脈回復電路(Data/Clock Recovery)及時脈歪斜消除電路(Clock De-skew)等各種與時脈信號息息相關的場合中扮演著不可或缺的角色。本論文提出一個有別於傳統類比式設計代之以全數位的方式建構鎖相迴路的方法,我們稱之為全數位式鎖相迴路(All Digital Phase-Locked Loops, ADPLL),以確保在日益複雜的系統晶片設計上,能提供使用者一個可靠穩健的鎖相迴路智財,加快設計時程與研發效率。
    在電路設計中採用一個與以往全然不同觀念的時間至數位轉換器(Time to Digital Converter, TDC),藉由將輸入信號不斷的「縮小」以獲得其正確的時脈週期,免去傳統上需採用快速高頻的取樣電路與寬位元的計數器,達到功率與面積上的改善。另外我們也提出了一個新的細調時間單元(Fine Tuning Unit, FTU)設計方式,藉由三態閘並聯不同數目的反相器,可提供不同位元數的細調頻率解析度。最後晶片的實現上完全採用以硬體描述語言Verilog HDL完成所有電路結構並使用TSMC 0.18 μm CMOS 1P6M標準元件庫設計流程,晶片核心面積為0.25 × 0.25 mm2完成面積為0.75 × 0.75 mm2,可操作頻率由98 MHz至775 MHz,最大功率消耗為80 mW。


    Nowadays, PLLs (Phase-Locked Loops) have been widely used in computer industry, communication products, and consumer electronics. They play important roles in clocking circuits such as frequency synthesizer, data/clock recovery, and clock de-skew circuit. We proposed an all digital way so called ADPLL (All Digital Phase-Locked Loop) to construct a solid and reliable IP for phase-locked loops. It can be ensure that the design cycle and productivity will be grow up as the difficulty of SoC design goes wildly.
    We provide a totally different concept about TDC (Time to Digital Converter). In contrast to traditional high frequency sampling clock and wide-bit binary counters, the input clock is “shrunk” instead of being counted. Also, we use a set of superinverters to build a new FTU (Fine Tuning Unit) with each constructed by tri-state buffers connected in parallel. It can achieve different DCO fine tune resolutions by the chosen bits. Finally, the whole chip has been implemented by Verilog HDL (Hardware Description Language) in TSMC 0.18μm CMOS 1P6M standard cell based library. The area of this chip is 0.75 × 0.75 mm2 and the output frequency can achieve from 98 MHz to 775 MHz. The maximum power consumption is 80 mW.

    第一章 緒論 1 1.1 研究背景 1 1.2 研究動機 1 1.3 章節組織 2 第二章 鎖相迴路電路概要 3 2.1 類比式鎖相迴路 3 2.2 數位式鎖相迴路 4 2.3 全數位式鎖相迴路 4 2.3.1 相位頻率偵測器 5 2.3.2 控制單元 5 2.3.3 數位控制震盪器 6 2.3.4 除頻器 7 第三章 全數位式鎖相迴路架構探討 8 3.1 相位頻率偵測器 8 3.1.1 基本相位頻率偵測器 8 3.1.2 改良式相位頻率偵測器一 9 3.1.3 改良式相位頻率偵測器二 10 3.2 數位控制震盪器 11 3.2.1 數位控制震盪器架構 11 3.2.2 細調時間單元設計 14 3.3 控制單元 18 3.4 除頻器 20 第四章 全數位式鎖相迴路設計與實現 21 4.1 全數位式鎖相迴路架構 21 4.2 除頻器設計 22 4.3 相位頻率偵測器設計 24 4.4 數位控制震盪器設計 25 4.5 時間至數位轉換器設計 27 4.5.1 脈波縮減器 28 4.5.2 數位處理單元 33 4.6 控制單元設計 36 第五章 晶片實作與模擬驗證 37 5.1 標準元件庫設計流程 37 5.2 測試考量 37 第六章 結論 42 6.1 數位控制震盪器 42 6.1.1 粗調時間單元 42 6.1.2 細調時間單元 42 6.2 時間至數位轉換器 42 6.3 相位頻率偵測器 42 6.4 除頻器 43 參考文獻 44

    [1]Roland E. Best, “Phase Locked Loops: Design, Simulation, and Application,”3rd ed., McGraw-Hill, New York 1997.
    [2]Thomas Olsson and Peter Nilsson, “A digitally controlled PLL for SoC applications,” IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 39, pp. 751-760, 2004.
    [3]陳吉昌,全數位鎖相迴路之研究與設計Investigation and Design of All Digital Phase Locked Loop,國立交通大學電子工程學系電子研究所碩士論文,中華民國九十一年七月
    [4]鍾菁哲,應用於系統晶片設計之自動化合成時序鎖定迴路Automatic Synthesis of Time-Locked Loops for SoC Designs,國立交通大學電子工程學系電子研究所博士論文,中華民國九十二年十月
    [5]Ching-Che Chung and Chen-Yi Lee, “An all-digital phase-locked loop for high-speed clock generation,” IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 38, pp. 347-351, 2003.
    [6]Chia-Tsun Wu, Wei Wang, I-Chyn Wey, and An-Yeu Wu, “A scalable DCO design for portable ADPLL designs,” IEEE International Symposium on Circuits and Systems, pp. 5449-5452, 2005.
    [7]吳嘉村,可移植具快速鎖定功能全數位式鎖相迴路電路設計Portable Fast Locking All-Digital Phase-Locked Loop Circuit Design, 國立台灣大學電子工程研究所碩士論文,中華民國九十二年六月
    [8]Pao-Lung Chen, Ching-Che Chung, and Chen-Yi Lee, “A portable digitally controlled oscillator using novel varactors,” IEEE Transactions on Circuits and Systems, Vol. 52, pp. 233-237, 2005.
    [9]Duo Sheng, Ching-Che Chung, and Chen-Yi Lee, “An all-digital phase-locked loop with high-resolution for SoC applications,” IEEE International Symposium on VLSI Design, Automation and Test, 2005.
    [10]Terng-Yin Hsu, Chung-Cheng Wang, and Chen-Yi Lee, “Design and analysis of a portable high-speed clock generator,” IEEE Transactions on Circuits and Systems, Vol. 48, pp. 367-375, 2001.
    [11]TSMC 0.18μm Process 1.8-Volt SAGE-XTM Standard Cell Library Databook

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