（微电子学与固体电子学专业论文）cmos电荷泵锁相环的设计及相位噪声的研究.pdf

c m o s 电荷泵锁相环的设计及相位噪声的研究 摘要 随着集成电路技术的发展，锁相环( p h a s el o c k e dl o o p ，p l l ) 电路得到 了越来越多的关注，目前在超大规模集成电路( v l s i ) 及片上系统( s y s t e mo n c h i p ，s o c ) 中扮演着不可或缺的角色。其中，电荷泵锁相环( c h a r g e p u m pp l l ) 因其具有锁定相差小和捕获范围大等优点而成为当前锁相环设计的主流。 本文基于标准c m o s 工艺自顶向下地设计了一种电荷泵锁相环。首先，基 于电荷泵锁相环的基本原理及v h d l a m s 语言的特点，进行环路系统的 v h d l a m s 行为级建模；然后，在行为级模型和应用系统需求指标的指导下， 完成鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器、分频器以及时钟分配电 路的晶体管级设计，并对锁相环的相位噪声和时钟抖动进行了重点分析，在建 立其模型的基础上进行了仿真验证。最后，完成电路的版图设计，实现流片。 内嵌本文所设计电荷泵锁相环的d a 转换器电路使用c m o so 3 5 u m2 p 3 m 工艺完成了m p w 项目流片，并进行了初步测试。实际的锁相环电路支持4 3 2 分频，可输出多种不同频率的时钟信号；支持3 3 v 电源电压，调节频率范 围为9 6 4 0 0 m h z ，功耗小于4 5 m w ，噪声小于1 0 0 d b c h z 。 关键字：电荷泵锁相环，v h d l a m s ，行为建模，相位噪声，抖动 d e s i g no f ac m o s c h a r g e - - p u m pp l l a n d i n v e s t i g a t i o no f t h ep h a s en o i s e a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n t o ft h ei n t e g r a t e dc i r c u i tt e c h n o l o g y ，t h ep l l ( p h a s e l o c k e dl o o p ) o b t a i n sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n c p p l l s ( c h a r g e p u m pp l l ) b e c o m et h em a i n s t r e a ma n dp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nv l s ia n ds o c ( s y s t e mo n c h i p ) b e c a u s eo ft h em e r i to fs m a l l e rp h a s ed i f f e r e n c ea n db i g g e rc a p t u r er a n g e t h i st h e s i sd e s i g n e dac p p l lw h i c hw a sb a s e do nc m o st e c h n o l o g ya n d a d o p t e dt o p d o w nm e t h o d f i r s t l y , t h ev h d l - a m sb e h a v i o r a lm o d e l i n go ft h e c l o s e l o o ps y s t e mw a sd e s ig n e db a s e do nt h ef u n d a m e n t a lo fc p p l la n dt h e c h a r a c t e r i s t i co fv h d l - a m sl a n g u a g e t h e n ，p h a s ef r e q u e n c yd e t e c t o r ，c h a r g e p u m p ，l o o pf i l t e r ，v o l t a g ec o n t r o l l e do s c i l l a t o r ，d i v i d e ra n dt h ec l o c kd i s t r i b u t i o n c i r c u i tw e r ed e s i g n e du n d e rt h eg u i d a n c eo ft h eb e h a v i o r a lm o d e la n dt h e s p e c i f i c a t i o no ft h ea p p l i c a t i o ns y s t e m p h a s en o i s ea n dj i t t e rw e r ea n a l y s e da n d s i m u l a t e do nt h em o d e l f i n a l l y ，t h el a y o u tw a sd e s i g n e da n dt a p e do u t t h ed ac o n v e r t e ri n c l u d i n gt h ec p p l lw h i c hw a sd e s i g n e db yt h i st h e s i sh a s b e e nf a b r i c a t e di nm p wb a s e do nt h ec m o so 3 5 u m2 p 3 mt e c h n o l o g ya n dp a s s e d t h ep r e l i m i n a r yt e s t s t h ea c t u a lp l lc i r c u i ts u p p o r t sf r e q u e n c yd i v i s i o no f4 - 3 2 ， a n do u t p u t sc l o c ks i g n a l so fd i f f e r e n tf r e q u e n c y t h ep o w e rs u p p l yi s3 3 钐 a d ju s t a b l ef r e q u e n c yr a n g ei s9 6 4 0 0 m h z t h ep o w e rd i s s i p a t i o ni sl e s st h a n 4 5 m w a n dt h en o i s ei sl e s st h a n10 0 d b c h z k e y w o r d s ：c h a r g e - p u m pp h a s el o c k e dl o o p ，v h d l - a m s ，b e h a v i o r a lm o d e l i n g ， p h a s en o i s e ，ji t t e r 插图清单 图1 1 电荷泵锁相环的结构2 图2 1 电荷泵锁相环的结构5 图2 2 二阶p l l 的动态和静态稳定范围7 图2 3 锁相环锁定过程7 图2 4 锁相环能量谱8 图2 5 具有抖动的时钟信号8 图2 - 6 鉴相器的示意图13 图2 7 鉴频鉴相器框图及其状态转换1 3 图2 8 基本的电荷泵结构1 4 图2 - 9 三阶无源低通滤波器1 5 图2 10 压控振荡器。l7 图2 1 lp l l 行为模型的仿真2 0 图3 1d a c 系统结构图2 2 图3 2 鉴相“死区”2 4 图3 3 鉴频鉴相器2 5 图3 4 电荷泵电荷泄漏2 6 图3 5 电流失配的影响2 6 图3 6 电荷共享效应2 7 图3 7 采用自举电路消除电荷共享2 7 图3 8 电荷泵电路2 8 图3 - 9 滤波器2 9 图3 1 0 三阶滤波器的频率特性3 0 图3 11 系统开环幅频特性3 3 图3 12 负反馈系统3 4 图3 13n 级环形振荡器3 4 图3 14 六级环形振荡器3 5 图3 1 5 本设计的v c o 差动振荡单元3 6 图3 16 整形电路3 8 图3 1 7 分频电路图设计3 9 图3 18 多时钟产生电路4 0 图3 - 1 9 锁定判定电路4 l 图4 一l 理想时钟的频谱4 2 图4 2 频谱图4 3 图4 3 时钟抖动的示意图4 4 图4 4 振荡器的相位噪声谱4 6 图4 5 基本差分延迟单元4 8 图4 6 环路噪声模型4 8 图4 7v c o 的延时单元5l 图4 8 相位噪声对比5 2 图5 1 比较器5 4 图5 2 仿真结果5 4 图5 3 ( a ) 反馈信号相位超前参考信号5 5 图5 3 ( b ) 反馈信号相位落后于参考信号5 5 图5 - 4 无死区仿真图5 6 图5 5 电荷泵仿真结果5 6 图5 - 6 电荷泵上下拉电流源的匹配5 7 图5 7 延迟单元的交流特性5 7 图5 8v c o 的增益5 8 图5 - 9 分频器瞬态仿真5 8 图5 1 0 ( a ) m o d l - - 0 时的时钟分配5 9 图5 1 0 ( b ) m o d l = 1 时的时钟分配5 9 图5 1 1v c o 工作在9 6 m h z 时p l l 锁定过程6 0 图5 1 2v c o 工作在4 0 0 m h z 时p l l 锁定过程6 0 图5 13p l l 版图6 2 图5 1 4p l l l o c k 信号( 表明p l l 锁定，正常工作) 6 3 图5 1 5 经过分频后的时钟波形( 5 9 2 9 0 8 m h z ) 6 3 表格清单 表3 1p l l 系统参数3 2 表3 - 2 分频器管脚的设置4 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金胆王些太堂 或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 酶f 夕能r 吼7 利日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金肥王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权盒罡王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： ( 叩b 签字日期：y n 压，。月彩e l | 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 新黼：彤 签字吼1 年们毋日 电话： 邮编： 致谢 本文是在叶兵教授和高明伦教授两位导师的悉心指导和支持督促下完成 的。叶老师和高老师不仅学识渊博、治学严谨，而且温文尔雅、平易近人。两 位老师一丝不苟的作风、严谨求实的态度、兢兢业业的精神对我影响至深，是 我一生学习的楷模。衷心感谢两位导师的教诲与培养。同时，感谢微电子研究 所潘剑宏老师两年半来在学习和生活上的关心与爱护， 感谢指导老师尹勇生讲师在论文的选题、结构的安排、资料的检索直至最 终的定稿过程中给予我全方位的指导，使本文得以按时完成。 感谢邓红辉老师、林微老师、贾靖华老师、王晓蕾老师、王锐老师、胡永 华老师、张多利老师、刘聪老师、宋宇鲲老师、杜高明老师在学习和生活上的 帮助和关心。 感谢陈巨、郭舒生、刘涛、王炜师兄和王晓娟师姐在项目和学习上给予的 帮助和教导。 感谢混合信号项目组成员：刘宏、梁上泉、万超、瞿美霞的支持与帮助。 特别是梁上泉博士在英文摘要上给予的帮助。 感谢矫妹、张睿、罗芳杰、谢亚伟等师弟师妹们在论文中给予的帮助。 感谢何亚军、汤益华、沈斌、宋何娟、侯宁、张文婷、张建生、霍晓嵩、 李洋、缪庭、谢可可、蔡发志、陈超、汪明亮、彭成、徐桥铭等同学，是你们 一起陪我度过两年半的研究生时光。 感谢兵器工业部第2 1 4 所洪德杰研究员在项目中给予的关心和指导。 感谢郑浩和胡江涛在芯片版图方面给予的帮助。 感谢文中所引用文献的作者们，感谢所有关心和帮助过我的老师、同学和 朋友们! 特别感谢我的父母与亲人在学业和生活上给予的强有力支持和无私的奉 献。 陈志明 2 0 0 7 年1 2 月 1 1 锁相环的历史 第一章绪论 锁相环( p h a s e l o c k e dl o o p ，简称p l l ) ，是一个闭环相位自动控制的反 馈系统，锁相的目的在于通过反馈调节使输出信号相位锁定或跟踪输入信号的 相位变化，其结果是使相位误差无限减小。早在1 9 3 2 年法国工程师d eb e l l e s i z e 就用真空电子管搭成了世界上第一个锁相环路【l 2 l ，用于同步检波，但由于体积 庞大、价格昂贵而未引起普遍关注。直到1 9 4 7 年，p l l 成功用于电视机扫描行 同步装置中，抑制噪声对同步信号的干扰，使图像同步性能得到很大改善【3 1 。 从此，p l l 开始了其重要的工程应用。1 9 6 5 年出现了第一款集成的纯模拟器件 构成的锁相环一一模拟锁相环( 又称线性锁相环，l i n e a rp l l ，简称l p l l ) 【4 1 ， 由于其体积的锐减和性能的提高，其工业应用才日益广阔起来。而p l l 的发展 并没有止步于此，1 9 7 0 年出现了第一块数字锁相环( d i g i t a lp l l ，简称d p l l ) ； 确切地讲它应属于数模混合器件陋】，因为其中只有鉴相环节使用了数字电路。 若干年后，纯数字锁相环( a l ld i g i t a lp l l ，简称a d p l l ) 问世了，其不含任 何诸如电阻电容之类的无源器件而完全由数字模块构成。随着微处理器和数字 信号处理技术的发展，用软件实现p l l 成为可能，这样的锁相环称为锁相软环 ( s o f tp l l ，简称s p l l ) 。 随着集成工艺的发展，l p l l 应用领域越来越小；d p l l 中以前外接的无源 器件，随着特征尺寸的减小可以可靠地集成到片内了，其性能也随之大大地提 高，应用变得更为广泛：a d p l l 因自身特点，多用于数字系统中；而s p l l 主 要依赖于微处理器的性能，会增加处理器的额外开销，故没有大规模的工程应 用。， 1 2 电荷泵锁相环 电荷泵锁相环( c h a r g ep u m pp l l 简称c p p l l ) 属于数模混合锁相环， 即d p l l 的一种。随着集成电路制造工艺的飞速发展，电荷泵锁相环也得到全 方位的发展。不管是性能上、面积上还是应用上都得到了长足的发展。大量的 实践证明，采用模拟乘法器的传统模拟锁相环和采用异或门或j k 触发器作为 鉴相器的混合信号锁相环的频率获取范围远远不能满足现代通信系统的发展需 要【5 】，从而促使了电荷泵锁相环的发展。采用时序逻辑三态鉴频鉴相器就能使 锁相环的获取频率范围得到巨大的扩展。时序逻辑三态鉴频鉴相器具有宽频获 取能力、扩展的跟踪范围和低成本等等非常明显的优点。在电荷泵锁相环中， 鉴频鉴相器与电荷泵相结合使得采用无源环路滤波器的电荷泵锁相环在理论上 能产生无限的直流增益和无穷大的频率牵引范围，并且获得零静态相位误差【6 l 。 整数分频锁相环是一种最基本的电荷泵锁相环结构，结构如图1 一l 所示， 包括鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器、分频器。鉴频鉴相器用 于比较输入信号与分频器输出反馈信号之间的相位差，输出正比于两个信号相 位差的直流电压，用于控制电荷泵的开关；电荷泵将鉴频鉴相器的输出信号放 大，进而对低通滤波器的电容进行充放电：低通滤波器的作用是滤除电荷泵所 输出误差电压信号的高频部分和噪声，以保证达到环路所要求的性能，使整个 反馈系统保持稳定：压控振荡器的输出频率随低通滤波器的输出电压的变化而 变化；分频器把压控振荡器的输出进行n ( 自然数) 分频，使得无：( 1 ) l 。 当系统处于稳定状态时，经过分频器后的输出频率及相位锁定在参考信号的频 率及相位上。 图1 1 电荷泵锁相环的结构 电荷泵锁相环在本质上是一个离散时间采样系统，这就会引起许多在连续 时间系统中不存在的稳定性问题【7 】。为了使整数分频锁相环能稳定地工作，锁 相环必须设计成窄带系统，通常设计成环路带宽小于参考信号频率的i 1 0 ，这 样电荷泵锁相环的环路带宽受限于参考信号频率。在后面的分析中将会知道电 荷泵锁相环的建立时间与环路带宽成反比，因此电荷泵锁相环的建立时间同样 受限于参考信号频率。 为了解决在整数分频锁相环中存在的频率精度与环路带宽这对关键矛盾， 最近几年出现了采用分数分频电荷泵锁相环来代替整数分频锁相环。在分数分 频锁相环中，频率精度的取值小于参考信号频率，一般可以为参考信号频率的 十分之一。这样就可以使输入参考信号频率远远大于频率精度，因此锁相环的 环路带宽可以大大地增加，从而使锁相环的建立时间变得更短，即锁相环变得 更快、更高速。但是分频器输出频率与参考信号频率在稳态时并不相等，产生 随时间变化的相位误差，在控制电压上表现为纹波，影响压控振荡器的频率稳 定，在输出信号的频谱中形成分数杂散【8 】。 为了解决分数分频电荷泵锁相环出现的问题，出现了调制技术，改变信 号的频谱，使噪声高频化，然后通过电路的低通特性滤除。但由于采用z 调制 2 技术的锁相环比整数分频锁相环复杂，在设计和工程实现上难度比较大。所以， 除了在某些高端应用的特殊领域使用分数分频锁相环外，一般应用场合都还是 采用传统的整数分频电荷泵锁相环。 1 3 课题意义 在需求牵引和技术推动的双重作用下，出现了将整个系统集成在一个芯片 上的设计概念，标志着集成电路已进入片上系统时代( s o c ) 9 1 。在s o c 设计 中，由于包含多种功能模块，系统集成度高，所以整体时钟的精度、时序的保 证、信号的同步、频率的稳定度与精度就显得尤为重要【l 们。而精度高、体积小、 能提供多种不同精确频率的锁相环就是s o c 中解决这些问题的唯一选择。锁相 环具有稳频特性，利用一个准确而又稳定的周期信号产生一系列频率准确的信 号，可以为系统内部的其它模块提供稳定的高频时钟【1 1 1 ，同时锁相环可以纠正 时钟信号的占空比以消除时钟在分布中产生的延迟，保证不同模块之间时钟同 步与同期【12 1 。 目前主流的锁相环依然采用c m o s 工艺，随着特征尺寸的不断缩小，其工 作频率也达到了g h z 。现在锁相环设计主要关注的是高速、高集成、宽可调、 低电压、低功耗、低噪声方面，这些在国外很多公司现有的高性能锁相环上得 到了很好的体现。美国国家半导体公司于2 0 0 3 年6 月就宣布推出的l m x 2 4 3 x 系列p l la t i n u m 锁相环芯片，其工作频率高达3 g h z 以上，适用于无线局域网、 5 8 g h z 室内无绳电话、移动电话及基站等应用方案。高通公司的r f t 6 1 2 2 芯 片是一块专用单频段蜂窝发射机芯片，可以完成模拟基带到射频的转换；其集 成了发射锁相环、v c o 和接受锁相环，是首次应用射频c m o s 制造工艺生产 的c d m a 2 0 0 01 x 芯片组。z a r l i n k 半导体、模拟器件( a d ) 、富士通微电子 ( f u j i t s u ) 、p e r e g r i n e 半导体、三星半导体和摩托罗拉等公司都相继推出自己的 高端锁相环产品。 国内研究锁相环技术起步较晚，而且受工艺、微处理器技术等相关领域落 后的制约，国内锁相环跟国外的同频锁相环相比性能还相差很大。国内高性能 锁相环产品基本依赖于进口，阻碍着我国通信等众多领域的发展，某些时候还 可能威胁到国防安全。因此，加大对高性能锁相环技术的研究力度，推出拥有 自主知识产权( i p ) 的高性能锁相环已经迫在眉睫。 1 4 课题来源及论文结构 课题来源 本课题来源于国家某部委预研项目。该项目是一款高速、宽带的数模转换 3 器( d a c ) 芯片，它是c m o s 工艺制造，片内集成了带有2 倍内插滤波器和锁相 环的低失真d a c 。课题中的锁相环主要用于提供片内所需的时钟和钟控信号。 论文主要内容 本课题主要研究如何采用“自顶向下”的设计方法完成一种高性能电荷泵 锁相环的设计。电荷泵锁相环是数模混合锁相环的一种，是锁相环的典型代表。 其优势在于：理论上可证明其静态相位误差为零；实践中也证明它具有高速、 低功耗、低抖动的特性。 通过环路带宽、阻尼因子、锁定范围等系统参数的折中取值，实现对电荷 泵锁相环灵活设计。本文将从锁相环的基本理论和系统结构着手，用 v h d l a m s 语言对电荷泵锁相环系统进行行为级建模：然后进行各个模块的晶 体管级设计与仿真：重点对锁相环的相位噪声和时钟抖动进行分析、建模、仿 真。总结一套电荷泵锁相环从系统级到行为级再到晶体管级“自顶向下 的可 行的设计方法。本设计采用s m i c0 3 5 u r n2 p 3 mc m o s 工艺。 论文大体结构 第一章简要介绍了锁相环电荷泵锁相环的发展及现状、课题的意义及来 源。 第二章介绍电荷泵锁相环的原理，同时在数学抽象的基础上采用 v h d l a m s 语言对其进行行为级建模。 第三章阐述了本课题锁相环应用的系统环境和设计指标，完成晶体管级的 设计。 第四章对产生相位噪声和时钟抖的原因做详细分析，提出估算噪声的模型， 并给出了仿真结果。 第五章给出了各模块的仿真结果及系统仿真结果，同时给出了流片后的初 步的、功能性的测试结果。 第六章为总结和展望。 4 第二章电荷泵锁相环原理及行为建模 一直以来，与数字集成电路相比，模拟电路设计和仿真验证的工具与方法 相对有限，而且效率不高；但是模拟电路性能的好坏对整个数模混合信号系统 的性能却起着决定性的作用。研究表明，数模混合系统集成的瓶颈问题是其中 仅占芯片面积l0 - 2 0 左右的模拟电路的设计、模拟和验证问题【l3 1 。这种局 面一直到全面支持连续和连续离散系统、标准化的模拟和数模混合信号系统的 硬件描述语言( 如v h d l a m s 和v e r i l o g a m s ) 的出现才得以改善。本章就基 于v h d l a m s 语言对电荷泵锁相环这一混合系统进行行为级建模和验证。 2 1 电荷泵锁相环的基本原理与性能参数 本小节简要介绍电荷泵锁相环的基本工作过程，以及涉及到的主要性能参 数的概念和指标。 2 1 1 结构及工作原理 锁相环能够跟踪输入信号的相位和频率，并输出相位锁定、低抖动的不同 频率信号。c p p l l 一般由五个模块组成，如图2 1 所示：鉴频鉴相器( p h a s e f r e q u e n c yd e t e c t o r ，p f d ) 、电荷泵( c h a r g ep u m p ，c p ) 、低通滤波器( l o wp a s s f i l t e r ，l p f ) 、压控振荡器( v o l t a g ec o n t r o lo s c i l l a t o r ，v c o ) 以及分频器 ( f r e q u e n c yd i v i d e r ) 。 图2 1 电荷泵锁相环的结构 鉴频鉴相器用于比较输入信号与分频器输出反馈信号之间的相位差，输出 正比于两个信号相位差的直流电压，用于控制电荷泵的开关；电荷泵将鉴频鉴 相器的输出信号放大，进而对低通滤波器的电容进行充放电：低通滤波器的作 用是滤除电荷泵所输出误差电压信号的高频部分和噪声，以保证达到环路所要 求的性能，使整个反馈系统保持稳定：压控振荡器的输出频率随低通滤波器的 输出电压的变化而变化；分频器把压控振荡器的输出进行分频，使得 无= ( 1 ) l 。当系统处于稳定状态时，经过分频器后的输出频率及相位锁定在 参考信号的频率及相位上。 2 1 2 工作状态 锁相环有四种工作状态，即锁定状态、失锁状态、捕获过程和跟踪过程【4 , 1 4 。 ( 1 ) 锁定状态：整个环路已经达到输入信号相位的稳定状态。它指输出信 号相位等于输入信号相位或者是两者存在一个固定的相位差，但频率相等。在 锁定状态时，压控振荡器的电压控制信号接近平缓。 ( 2 ) 失锁状态：环路的反馈信号与锁相环输入信号的频率之差不能为零的 稳定状态，或是在无限时间范围内不停振荡无法达到锁定的状态，它们都称为 失锁状态。当环路的结构设计有问题，或者是输入信号超出了锁相环的应用范 围的时候都会进入失锁状态。这个状态意味着环路没有正常工作。 ( 3 ) 捕获过程：指环路由失锁状态进入锁定状态的过程。这个状态表明环 路已经开始进入正常工作，但是还没有达到锁定的稳态。此过程应该是一个频 率和相位误差不断减小的过程。 ( 4 ) 跟踪过程：是指在p l l 环路处于锁定状态时，若此时输入信号频率 或相位因其它原因发生变化，环路能通过自动调节，来维持锁定状态的过程。 由于输入信号频率或者相位的变化引起的相位误差一般都不大，环路可视作线 性系统。 p l l 的这四种状态中，我们称前两个状态为静态，后两个状态为动态。优 秀的设计可以使p l l 在上电后立刻进入捕获状态，从而快速锁定。 一般用四个参数指标来描述p l l 的系统频带性能1 1 4 】： ( 1 ) 同步带：它指的是环路能保持静态锁定状态的频率范围。当环路 锁定时，逐步增大输入频率，环路最终都能保持锁定的最大输入固有频差。 ( 2 ) 失锁带m ：锁相环路稳定工作时的动态极限。也就是说p l l 在稳 定工作状态时，输入信号的跳变要小于这个参数，p l l 才能快速锁定。若输入 信号的跳变大于该参数而小于捕捉带，则环路还是能锁定，但是需要较长的时 间。 ( 3 ) 捕获带绵：只要反馈信号和输入信号的频差在这一范围内，环路总 会通过捕获而再次锁定，随着捕获过程的进行，反馈信号的频率向着输入信号 频率方向靠近，经过一段时间后，环路进入快捕带过程，最终达到锁定。 ( 4 ) 快捕带吼：在此频差范围内，环路不需要经历周期跳跃就可达到锁 定，实现捕获过程。 ( 注：固有频差是指输入信号与环路固有频率之差皑= q 一西o o n ，其中瓯 指环路没有输入时v c o 正常工作的中心频率，固有频率c o = 瓯) , 6 对于简单的p l l 来说，上面的四个参数的量化关系可见图2 2 所示。 图2 2 二阶p l l 的动态和静态稳定范围 由图2 2 可见，同步带比其它三个频带要宽的多，而捕获带绵则要 大于快捕带纯，并且大多数情况下捕获带畔也比失锁带大。一般有以 下关系： 2 i 3 性能参数 吃 丘k 1 0 ，y _ 0 0 ； e n d p r o c e s s ； 这一中断语句的执行将使量x 和y 在中断点处分别得到新值1 0 和0 0 。 另外，语言新增加的预定义属性s r a m p 和s s l e w 也可以实现离散系统 对连续系统的影响。 ( 2 ) 连续系统对离散系统的控制 为实现连续系统对离散系统的控制，v h d l a m s 中引入了一个预定义属性 q a b o v e ( o ) 。q a b o v e ( e ) 是一个隐式信号，前缀q 是一个标量类型的量，e 是 一个与q 相同类型的表达式。隐式信号q a b o v e ( e ) 的值是布尔型的，当q 的值 大于e 的值时为“真 ，小于e 的值时为“假 当q 值的变化从而使q 与阈 值e 的大小关系发生变化时，在信号q a b o v e ( e ) 上产生一个事件，这个事件可 以激活进程，从而引起离散系统状态的变化，实现连续系统对离散系统的控制 作用。q 的值是由模拟解算器计算出来的，仿真时q a b o v e ( e ) 信号同其它隐式 信号一样进行更新。由于q u a n t i t y 可以出现在任何浮点类型允许的表达式中， 所以进程通过取q u a n t i t y 的值，获得连续部分的信息。例如： s i g n a l - - - - l w h e nq a b o v e ( 2 5 ) e l s e 0 ； 当量q 的值大于2 5 时，信号s i g n a l 被赋值为l ，否则赋值为0 。 2 3 电荷泵锁相环的行为级设计 前面我们介绍了v h d l a m s 语言的扩展及电荷泵锁相环的工作原理和主 要的性能指标，主要就是为了更好地解决其行为级的设计。下面就依次对各个 模块进行行为建模。 2 3 1 鉴频鉴相器 鉴相器( p h a s ed e t e c t o r ，p d ) 的平均输出瓦与两个输入信号的相位差妒 成线性比例，其示意图如图2 - 6 所示。在理想情况下，弦和之间的关系是 直线的，且- - 0 时，直线过原点。这条直线的斜率k p d 就是鉴相器的“增益 ， 其单位为伏弧度( v r a d ) 。 1 2 p d 瓦而。 l 一 毋 图2 - 6 鉴相器的示意图 传统的鉴相器只是检测相位差，所以极大地限制了锁相环的捕获范围。为 了改善锁相环的捕获问题，现代锁相环除了相位检测外还包含了频率检测，即 鉴频鉴相器( p f d ) 。鉴频鉴相器的框图如图2 7 所示，它利用时序逻辑建立三 个状态，并且响应两个输入的上升沿( 或下降沿) 。根据p f d 的输出信号q 和 q 以及它们对电荷泵工作状态的影响，可以把p f d 分成以下三种工作状态： 状态“l ，充电状态，幺( u p ) - - 1 ，q 暑( d o w n ) = 0 ； 状态“一1 ，放电状态，幺( u p ) = o ，岛( d o w n ) = l ： 状态“0 ，保持状态，q ( u p ) = o ，岛( d o w n ) = 0 ； 状态之间的转换图如图2 7 所示： flf p f d b j艮f 图2 7 鉴频鉴相器框图及其状态转换 根据p f d 的工作原理，且它是数字电路，所以v h d l a m s 的行为级描述 如下： e n t i t yp f d i s p o r t ( v r e f , v f b k ，：i nb i t ；u p ，d o w n ：i n o u tb i t ) e n de n t i t yp f d ； a r c hi t e c t ur ed ig i t a lo fp f di s b e g i n p r o c e s s ( v r e f , v f b k ) - b e g i n i fv r e f e v e n ta n dv f b k = 0 1 3 t h e n e l s e u p = 1 ； d o w n = v r e fx o rv f b k ： u p 0 0 ； i fs u p = i u s e i p u p = = i p ； i p d o w n = = 0 o ； e l s ei f s d o w n = i u s e i p _ u p = = o o ； i p d o w n = = i p ； e l s e i p u p = = o o ； i p d o w n = = 0 o ； e n du s e e n da r c h i t e c t u r eb e h a v e c p ； 2 3 3 环路滤波器 锁相环中的环路滤波由低通滤波器实现的，主要是滤除电荷泵输出信号的 高频分量和部分噪声，得到近似直流的信号。以保证环路的稳定，改善环路跟 踪性能和相位噪声性能。 理论上讲，更高阶的滤波器对锁相环的抖动的抑制性能更好，因为从波特 图上看对更高阶环路滤波器来说其传递函数以更快的速度衰减。但它有一些缺 点：首先使用了更多的无源元件，其中的电阻元件在环路带宽或其带外增加了噪 声，且无源器件的集成实现占用很大的面积；其次使用更高阶环路滤波器，其 中的最高环节的电容值变的更小，从而可能导致v c o 输入电容影响而引起失 真。但是，如果能合理地折中设置器件的参数，就可以使优点远大于缺点。 本设计就是为了更好的噪声抑制效果，而采用三阶无源低通滤波器。结构 如下示： 图2 - 9 三阶无源低通滤波器 1 5 其v h d l a m s 语言描述如下： e n t i t yl o o p f i l t e ri s g e n e r i c ( r 1 ，r 2 ，c 1 ，c 2 ，c 3 ：r e a l ) ； p o r t ( t e r m i n a lt 1 ，t 2 ，t t o p ：e l e c t r i c a l ) ； e n de n t i t yl o o p f i l t e r ： a r c h i t e c t u r eb e h a v e l p fo fl o o p f i l t e ri s t e r m i n a lt 3 ：e l e c t r i c a l ； q u a n t i t yv c la c r o s si c lt h r o u g ht t o pt ot 3 ； q u a n t i t yv c 2a c r o s si c 2t h r o u g ht _ t o pt ot 1 ； q u a n t i t yv c 3a c r o s si c 3t h r o u g ht _ t o pt ot 2 ； q u a n t i t yv r la c r o s si r lt h r o u g ht 3t ot 1 ； q u a n t i t yv r 2a c r o s si r 2t h r o u g ht 1t ot 2 ； b e g i n b r e a kv r l = 0 0 ，i r l = o 0 ，v r 2 = o 0 ，i r 2 = 0 0 ； v c l2 0 0 ，i c l = 0 0 ，v c 2 = 0 0 ，i c 2 = o 0 ， v c 3 = 0 0 ，i c 3 = 0 o ； v r l = = r 1 幸i r l ； v r 2 = = r 2 卑i r 2 ； i c l = = c 1 幸v c l d o t ； i c 2 = = c 2 幸r e 2 d o t ； i c 3 = = c 3 母v c 3 d o t ； e n da r c h i t e c t u r eb e h a v el p f ； 2 3 4 压控振荡器 压控振荡器就是振荡频率受电压控制的一种器件，是一种电压一频率( 或 电压一相位) 转换电路。它的振荡频率随输入控制电压的心( ，) 线性变化的，图 2 1 0 示，关系如下式： c o ( t ) = c o o + k ，c d “。( f ) ( 2 2 ) 式中q ( ，) 是v c o 的瞬时角频率：k z c o 是控制灵敏度或称为增益系数，单位是 【r a d ( s v ) 】或【h z v 。 图2 - 1 0 压控振荡器 在锁相环路中，从鉴相特性上看，v c o 输出信号对鉴频鉴相器的作用不是 瞬时角频率而是瞬时相位变化，此瞬时相位通过对( 2 2 ) 式积分可得： f q ( r ) 把c o o t + f u c ( r ) d f ( 2 3 ) 又国= d o d r ，所以( 2 ) 可化成： 气，( f ) =