国成功大学电机资讯学院电机工程学系积体电设计产业研发硕士专班硕士

PS1國立成功大學電機資訊學院電機工程學系積體電路設計產業研發碩士專班碩士論文利用數位除頻器實現簡易型脈波寬度控制迴路電路之設計DesignofaSimplePulseWidthControlLoopCircuitbyUsingDigitalFrequencyDividers研究生:陳基清Student:Chi-ChingChen指導教授:張順志Advisor:Soon-JyhChangIndustrialTechnologyR&DMasterThesisIntegratedCircuitDesignDepartmentofElectricalEngineeringCollegeofElectricalEngineeringandComputerScienceNationalChengKungUniversityTainan,Taiwan,R.O.CJanuary2007中華民國九十六年一月PS2PS3PS4PS5利用數位除頻器實現簡易型脈波寬度控制迴路電路之設計陳基清*張順志**國立成功大學電機工程研究所摘要在大多數的數位與混合訊號電路中會大量的使用時脈訊號(clock)來控制電路的觸發。在高頻操作下，時脈訊號的頻率、相位以及脈波寬度等特性之精確度在電路應用上十分重要。目前的鎖相迴路(PLL)及延遲鎖定迴路(DLL)在訊號頻率與相位的校正上，已經能夠有相當不錯的表現。至於在脈波寬度控制部份，針對在DutyCycle為50%的議題上，也已經有良好的研究成果被提出；然而在控制DutyCycle為非50%的研究上，必須採用多個電流源及開關控制電路來實現脈波寬度的調整，使得在晶片面積、功率消耗與設計複雜度上大為提升，同時造成成本的提高。而本論文針對周期性訊號提出一個簡單方法來調整其DutyCycle。在本論文中，我們首先針對近年來應用於脈波寬度控制迴路的電路設計進行分析探討，並分析各種方法的優點與所面臨的挑戰。其次，我們改良傳統的PWCL電路，提出一個僅需加入簡單的數位除頻器，即可達到控制脈波寬度的功能。實驗結果顯示，經由此電路的校正結果，可得到輸出的脈波DutyCycle為50%、33%(67%)，且具有小面積及低功率消耗的優點。最後，我們分析此電路在不同的頻率及DutyCycle下所能達到校正的功能，並提出改良方法，並發展此電路可應用於其它脈波DutyCycle為25%、75%以及更多的DutyCycle選擇的可能性。PS6本論文所提出的利用數位除頻器實現簡易型時脈寬度控制迴路電路之設計的主要功能區塊皆以TSMC0.35μmCMOS2P4M製程進行模擬驗証，實驗結果顯示其可得到不錯的效能。*作者**指導教授PS7DesignofaSimplePulseWidthControlLoopCircuitbyUsingDigitalFrequencyDividersChi-ChingChen*Soon-JyhChang**DepartmentofElectricalEngineeringNationalChengKungUniversityTainan,Taiwan,R.O.C.AbstractMostdigitalandmixed-signalcircuitsusealotofclocksignalstotriggeraperiodicnotificationattherequestedtime.Theaccuraciesonfrequencies,phasesandpulsewidthsofclocksignalsareveryimportantforhighspeedapplications.Fortheissuesofadjustmentonfrequencyandphaseofasignal,currentphaselockedloop(PLL)anddelaylockedloop(DLL)technologieshaveachievedgoodresultsinrecentyears.Forthetopicsofpulsewidthcontrolforagivensignal,manygoodresearchresultshavebeenpresentedtodealwiththespecificcaseofbalanceddutycycle(dutycycleis50%).However,onthesubjectofunbalanceddutycycle(dutycycleisnot50%)adjustment,currentdesignmustemploymanyextracurrentsourcesandswitchestoaccomplishdutycycleadjustment.Suchamethodraisesthechiparea,powerconsumptionandPS8designcomplexity,andconsequentlyincreasesthecost.Thisthesisproposesanalternativemethodwhichcanregulatedutycycleofaperiodicsignal.Inthisthesis,wefirstsurveyrecentlypublisheddesignofpulsewidthcontrolloopcircuits,andanalyzetheadvantagesandchallengesofeachmethod.Secondly,wemodifythetraditionalPWCLcircuitbyusingasimplefrequencydividertoachievethegoalofdutycycleregulation.Theexperimentalresultsshowthatthedutycyclecanbecorrectlyadjustedto50%,33%(67%),andtheproposeddesignhasadvantagesofsmallchipareaandlowpowerconsumption.Finally,weanalyzethiscircuitperformanceandpresentanimprovementmethodfordifferentfrequenciesanddutycyclesAllmajorfunctionblocksproposedinthisthesisareallverifiedandsimulatedwithTSMC0.35μm2P4MCMOSprocess.Theexperimentalresultsshowagoodagreementwiththeanalysis.*Theauthor**TheadvisorPS9致謝在這短暫的兩年研究所求學生涯裡，第一個要感謝的人，首推我的指導教授張順志老師，他不只是扮演指導教授這個老師角色，更像是一個朋友鼓勵著我，不論在專業知識裡或作人處世上，老師給予的建議與幫助均是十分寶貴且難忘的，更不時的以他求學的經驗勉勵我，在此獻上最由衷的感謝與祝福。接著要感謝的是口試委員黃俊岳博士、王鴻猷博士、蔡建泓博士的寶貴意見，改正我論文錯誤之處，並提出應注意的地方，十分感謝。特別感謝義隆電子陳崇明副理與邱勝任主任在求學期間所提供的幫助，十分感謝。感謝MSICDT實驗室全體學長及學弟妹們。特別要感謝博士班安生學長，無論在論文研究、晶片下線製作以及日常生活的協助，都給了我莫大的實質幫助。感謝信文、進富、英儒、仁禮、城伍以及純成等所有博士班學長，在專業領域上給我寶貴的建議與幫助。還有已畢業的碩士班學長：乃禎、振國、彥廷以及卓凡，感謝在過去日子裡的提攜與照顧。感謝碩士班的同學們：政宏、冠榮、冠穎、宏裕、世明、德潔以及政家，在四樓的相處時光裡所帶來的歡笑與課業研究上的討論心得是我珍貴的回憶。感謝一同為學業奮鬥的專班同學們：遠景、育建、瑞哲，互相勉勵共同度過這令人難忘的兩年時光，祝福你們在往後的職場生涯順利。最後，把心裡那一份感謝留給家人，感謝家人的支持讓我順利完成學業，謝謝。民國九十六年一月三十日星期二MSICDTLab.目錄PS10目錄第一章序論.................................................................................................11.1研究動機.........................................................................................11.2論文內容大綱.................................................................................2第二章脈波寬度控制迴路(PWCL)的基本觀念......................................32.1傳統式脈波寬度控制迴路.............................................................32.2傳統式脈波寬度控制迴路的組成電路.........................................52.2.1控制級電路(ControlStage,CS)..................................................52.2.2充電幫浦(ChargePump,CP)......................................................82.2.3放大器(Amplifier,Amp).............................................................102.3傳統式PWCL的分析....................................................................112.4可調整式脈波寬度控制迴路.......................................................142.4.1可調整式脈波寬度控制迴路電路簡介...................................142.4.2可調整式脈波寬度控制迴路分析............................................17第三章利用數位除頻器實現簡易型脈波寬度控制迴路......................193.1利用數位除頻器實現簡易型脈波寬度控制迴路電路設計.......19目錄PS113.2利用數位除頻器實現簡易型脈波寬度控制迴路的組成電路...203.2.1控制級電路(ControlStage,CS)................................................213.2.2充電幫浦(ChargePump,CP)....................................................223.2.3放大器電路(Amplifier)..............................................................243.2.4參考頻率產生器........................................................................263.2.5可控式數位除頻器....................................................................283.3利用數位除頻器實現簡易型脈波寬度控制迴路分析...............29第四章利