一种FD-SOI低相位噪声快速锁定锁相环设计
摘要
最近几年5G通信由于频带宽、传输速度快、延时低和移动性高，已成为无线通
信技术的主流。5G无线网络传输的密集信息对时钟的频率和相位噪声要求更高。锁
相环相比于其他的频率生成电路而言有更宽的调谐范围，更高的中心频率，更低的相
位噪声等优点。因此本文在5G无线通信对时钟性能要求不断提升的背景下对高性能
电荷泵锁相环设计。
本文首先对体硅工艺下振荡器相位噪声理论进行了研究，分析了相位噪声产生机
理，从结构上和工艺上对振荡器进行了改进。在传统结构上取消了尾电流源增加了输
出电压幅度并且减小了尾电流源的闪烁噪声对振荡器的影响，采用了无尾电流源交叉
耦合式的延迟单元结构，加快振荡器的电平转换时间，减小振荡器受到噪声电流的影
响。采用了FD-SOI工艺进行电路设计，利用FD-SOI全隔离的特点减小了衬底噪声，
使用反阱器件降低阈值电压来优化振荡器的相噪水平。其次本文又对电荷泵的结构进
行了优化，结合了电流转向型电荷泵差分输入低共模噪声的特点和输出阻抗增强型电
荷泵高输出阻抗高充放电电流匹配性的优点，提出了一种新的电荷泵结构来对其充放
电电流进行全电压范围内的匹配。
本文最终基于GlobalFoundries22nmFD-SOI工艺设计的锁相环电路的压控振荡
器相噪水平为-99.79dBc/Hz@1MHz，电荷泵电流失配小于1%，充放电电流为100μA。
然后对设计的锁相环电路进行版图的绘制，提取整体版图的寄生参数提取进行后仿真，
仿真结果表明锁相环锁定时间为3μs，总功耗小于16mW，相位噪声水平为-98.8dBc/
2
Hz@1MHz，整体版图面积为0.14mm。
关键词：锁相环；电荷泵锁相环；锁定时间；振荡器；FD-SOI
一种FD-SOI低相位噪声快速锁定锁相环设计
ABSTRACT
Inrecentyears,5Gcommunicationhasbecomethemainstreamwireless
communicationtechnologyduetoitswidebandwidth,fasttransmissionspeed,lowlatency,
andhighmobility.Thedenseinformationtransmissionof5Gwirelessnetworksrequires
higherfrequencyandphasenoiseperformancefromclocks.Comparedtootherfrequency
generationcircuits,aphase-lockedloophasadvantagessuchasawidertuningrange,higher
centerfrequency,andlowerphasenoise.Therefore,thispaperfocusesonthedesignofa
high-performancecharge-pumpphase-lockedloopinthecontextofthecontinuously
increasingclockperformancerequirementsin5Gwirelesscommunication.
Thisarticlefirststudiesthetheoryofphasenoiseofoscillatorsunderthesilicon-on-
insulator(SOI)process,analyzesthemechanismofphasenoisegeneration,andimproves
theoscillatorfrombothstructuralandprocessaspects.Inthetraditional