（微电子学与固体电子学专业论文）uhf频段无线接收bicmos芯片的锁相环电路实现.pdf

摘要 摘要 随着通信技术的发展，u h f 频段( 2 9 0 m h z - 5 0 0 m h z ) 的a s k 接收芯片| | 前广泛应用于家庭保安、自动化控制系统、汽车门禁系统等领域。锁相环作为该 芯片| 】的核心部分具有非常重大的研究意义。因此，本文从应用于u h f 频段 ( 2 9 0 m h 5 0 0 m h z ) 的a s k 接收芯片巾的锁相环研究为出发点，根据a s k 接 收机对锁相环频率综台器的性能要求，进行了s i m u l i n k 建模分析，并设计了鉴 频豁相器、电荷泵、胝控振荡器以及分频器等模块电路。 在广泛文献调研的基础上，本文进行了如f 独创性的t 作： 1 )本文设计了基本消除“死区”的鉴频鉴相器与电荷泵电路。其l h 在 d 触发器的设计上，通过将置位电路与锁存电路共用个电流源的方 法，在功耗上有了很大的改善；同时，用m o s 有源负载替换原来的电 阻大大减小了芯片的面秘。 2 )在分频器的设计上，通过改进第一级二分频单元的结构，改善了分频 器的速度、频率特性。此外，采用层叠结构的四分频电路，减小了整 个分频器电路的功耗。 3 )在压控振荡器的设计中，对变容二极管进行了v e m o g a 建模，并成功 地利h 该模型对压控振荡器进行了s d c c t r e 仿真。 4 )利用c a d e n c e 的s p e c t r e 软件进行了整体电路的仿真，并根据模数混合 电路的特点对整个锁相环电路进行r 版图设计。整个芯片采用了a m s 的o 8 u m 的2 p 2 mm i x e d s i g m lb i c m o s 工艺进行流片。 最后，通过对a s k 接收芯片的测试表明，本文设计的锁相环电路锁定在 4 3 4 m h z 时的功耗达到2 3 m a ( 电源电压为5 v ) ，相位噪声为一9 8 d b c h z 1 0 0 k h z ， 完全符合u h f 频段( 2 9 0 m h z _ 5 0 0 m h z ) 的a s k 接收芯片的要求。 关键字：锁相环，频率综合器，电荷泵，鉴频鉴相器，压控振荡器，分频器 a b s t t 8 c i a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，t h ea s k ( a m p l i t u d es h i n k e y ) r e c e i v e r ，w h ；c hw o r k sa t2 9 0 m h z 5 0 0 m h z ，i sw ；d e l yu s e d 讯t 、e 靠o l do f d o m e s t i cs e c u r i t y ，a u t oc o n t r o la n de n 廿a n c eg u a r ds y s t c m s p l l ( p h a s el o c k e dl o o p ) a s h ec o r eo f t h er e c e i v e rh a s 出eg r e a ts i g n 讯c a n c eo n 1t hp u 币o s eo f t h kt 沁s i s s t dr e s e a r c ht h ep l lf 沁q u e n c ys y n t h e s i z e rs u j t a b l ef b ra s k ( a m p l i t u d es h i f k e y ) r e c e i v e lb a s e do nt h e s p e c 讯c a t i o no fs y n t h e s i 职r s ，t 1 1 es i m u l i n km o d e i s a r e e s t a b l i s h e dt oa n a l y z et h ec h a 唱ep u m pp h a s e - l o c k e d1 d o p ( c p p l l ) i nt h i st h e s j s a n d t h ep f d ( p h a s ef e q u e n c yd e t e c t o r ) ，c h a r g ep u m p ，v c 0 ( v oj t a g ec o n t r o io s c i i l a t o r ) a n dd i v i d e 】。m o d u l e sa r ep r e s e n t e d s e v e r a lc h a r a c t e r i s t i cw o r k si nt h i sd i s s e r t a t i o na r 它s u m m a r i z e da sf l o l l o w s ： 1 ) 丁h ep h a s e 自e q u e n c yd 曲o c t d r ( p f d ) a n dc h a 唱ep 哪pc i r c u i t sa r ed e s i g n e d f o rl _ dd e a dz o n e a n dt h ep o w e rc o n s u m p t i o ni sm i n i m i z e db yo p t i m i z i n g t h et r 8 d i t i o n a idn i p f l 叩s t r u c t u w t h ea r e ai s 曲c r c a s e db ys 曲s t i t u l l n g a c t i v el o a df o rr e s i 咖r s 2 ) t oi m p f 。v e 岫融q u e n c ya n d 印e e dp e 晌僦e 。t h e 矗r s td 砒d 嚣i b y - 2 c i r c u i ti sr c f o r m e d a n dt h es t a c k e d - m o d ei sa d o p t e di nt h ed i v i d e - by _ 4 c i r c u i t ；t h r o u 曲r e u s i n gt h eb i a sc u f f e n t ，t h ep o w e rc o n 宴u m p t i o no fd i v i d e r i sr e d u c e d 3 ) i nt h ed e s i g no fv o l t a g ec o n t r o l l e do s c ij l a t o r ( v c o ) ，av a r a c c o fm o d e ii s e s t a b l - s h e di nv e l o g a1 a i l g u a g e t b ev c oc i r c u i ti ss u c c e s s f u is j m u j a t e d t h m u 曲c a d e n c es p e c t r ew i t l lt h i sm o d e j 4 ) t h ew h 0 1 ec i r c u i ti ss j m u l a t e dt 1 1 r o u g hc a d e n c es p e c t r e a c c d r d i n gt ot h e c h a m c t c ro fm i x e d s i g n a lc r c u i t s ，t h el a y o u ti 8p r o p o s e d t h ew h o l ec h i p i sf 如r i c a i e di na m sm i 勰d - s - g n a ib i c m o s2 p 2 mo 8 哪t e c h n o j o 科， f j n a l ly ，t 1 1 er e s u l to fc h i pt c s ti n d i c a t e st 1 1 a tt h et d t a ip o 、v e rc o n s u m p t i o no fp l l c r c u 醅诘2 3 m aw ；t h5 vs u p p 母v o l t a g e t h cp h a 辩n o j s c a1 0 0 k n zo f f ；e tj s 9 8 d b c h z t h ew h o l ep l lc i r c u i t sm e e tt l l es 口e c i 疗c a t i o n so f a s kr e c e i v e r k e yw o r d s ：p l l ，舶q u e n c ys y n t l l e s i z e r ，c h a 唱ep u m p ，p h a s ef r e q u e n c yd e t e c t o r ， v o i t a g ec o n c r 0 1 i e do s c i l l a t o r ，f k q u e n c yd i v i d 钉 l i 学位论文独创性声明 本人所早突的学位沦文是我存导帅的指导下进行的研究丁作及取织的研究 成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人利集体，均己在 文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：璃基副日划：赵型! ：星 学位论文使用授权声明 本入完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留学位论文升向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权 将学位论文用丁非赢利月的的少量复制并允许论文进入学校罔二* 馆被查阅。有 权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要 汇编出版a 保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者繇询弛 导师签名：豪乏辜彳 同期：曼型! 翌开期：n 6 6 c f 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景和立题意义 随着电子通讯技术的日新月异，特别是无线技术已经成为了我们日常生活中 必不可少的一部分，如图1 1 。从卫星电视到手机通讯，无线上网到家用的无线 设备，这些技术的发展给我们带来了极大的便利，而这些都离不开无线接收芯片。 无线收发机是近几年学术界研究的热点问题【。例如，b e r k e l e y 的p a u lr g r a y 领导的“用于无线电话的1 9 g h z ，宽带中频，两次变频接收机项卧5 ；u c l a 的a s a da a b j d i 研究的“在l u mc m o s 工艺上实现的、单片扩频无线接收机” 1 6 j ；以及比较热门的g s m ，d e c t ，b h l e t 0 0 t h ，w l a n 等接收机系统。国内在这方 面也进行了许多研究，上海市科委自2 0 0 0 年起就先后资助了“2 4 g h z 数字无 绳电话射频收发器”，“3 g 移动电话射频收发器”等多个无线接收项目。 图1 1无线技术无处不在 总的来讲，目前国内对于射频接收芯片研究的重点集中在i s m ( i n d u s t r i a i ， s c i e n t m c 粕dm e d i c a l ) 频段的2 4 g h z 5 8 g h z ，以及1 8 9 5 1 5 m h 1 9 1 7 1 5 m h z 和9 0 0 m h z - 1 8 0 0 m h z 等高频段。而在人们的日常生活中，接触比较多，应用比 较广的都是一些i s m 较低频段( 2 9 0 m h 蚤5 0 0 m h z ) 的接收芯片。这类芯片主要 应用于家庭保安、自动化控制系统、汽车门禁系统以及工业自动化系统等领域。 第一章绪论 而这一类的芯片几乎为外国公司所有，尚未见有国内关于2 9 0 m h z - 5 0 0 m h z 这个 频段接收芯片的报道。正是由于这种芯片的市场前景非常广泛，所以研究这类芯 片显得非常必要。 同时，锁相环作为频率综合器在接收芯片中的作用极其关键，它的性能直接 影响到了整个接收芯片的性能。目前，锁相环都是采用b i c m o s 工艺或者c m o s _ t 艺来实现。b i c m o s 工艺无疑在噪声、速度等方面更具优势，而c m o s ：= 艺 则在功耗、集成度等方面略胜一筹。考虑到无线接收系统对于噪声的特殊要求， 本文尝试用b i c m o s 工艺实现满足u h f 频段( 2 9 0 m h z 5 0 0 m h z 范围) 的a s k 接收机性能的频率综合器。 1 2 国内外研究现状 自从1 9 6 5 年第一块锁相环集成电路芯片问世以来，随着半导体技术的发展， 锁相环电路从最初的模拟锁相环已经发展到了如今的数模混合锁相环，全数字锁 相环以及软件锁相环等多种形式的锁相环1 7 j 。 模拟锁相环发展至今已经相当完善，它一般用于对信号的调制与解调。数模 混合锁相环主要用于频率综合，时钟处理等许多领域，是目前使用最为广泛的一 种锁相环电路。其典型代表为电荷泵锁相环c p p l l ( c h a 唱e - p u m pp h a s e l o c k e d l o o p ) ，本文设计的锁相环类型正是这种电荷泵锁相环。 全数字锁相环a d p l l ( a l ld 酒t a lp h a s e l o c k e dl 0 0 p ) ，由于出现的时间尚短， 还有很多技术问题没有解决，特别是对于它的工作频率不高，结构比较复杂，噪 声分析困难等问题都没有得到很好的处理，因此这种电路目前只能用于时钟恢 复、位同步提取等情况下。 软件锁相环s p l l ( s o rp l l ) 是基于一定的硬件平台( 如微处理器、数字信号 处理器d s p 等) ，通过编写程序来实现锁相环的功能。这种锁相环具有非常大的 灵活性，因为它的算法可以有很多种，同一种算法可以得到持续的改进；而利用 软件也可以实现不同功能的锁相环，它可以实现上述三种锁相环电路中的任一种 功能。虽然这种锁相环可以通过软件来修改相应的锁相环环路特性以适应特殊需 要，但是它的价格比较昂贵，目前还没有被广泛应用。 从工艺的角度来看，正是由于半导体工艺的飞速发展从而促进了锁相环电路 结构、性能的不断提高。早期的模拟锁相环一般都用的是b i p o l a r 工艺，性能各 方面都比较低。而目前对于锁相环的研究则是c m o s 同b i c m o s 并存的局面 13 1 ，同时伴随着g a a s 、i f l p 阻及s i g e 等颓材料工艺的出现，使得现在的锁相 环在频率，噪声等方面有了很大的突破【1 4 1 5 】。当然，目前的锁相环市场上的主 流还是以c m o s 和b i c m o s 为主。 第一章绪论 就目前市场上的锁相环芯片而言，大多数市场份额都掌握在一些国际大公司 的手里，如：n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 、1 1 、q u a l c o m m 、m o t a m l a 、a n a l 0 2d e v i c e 等美国公司，以及z a r l i n ks e m i c o n d u c t o r 、f u i i t s u 、s a m s u n g 等公司。 n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 公司于2 0 0 5 年1 1 月宣布推出号称业界最低相位噪音 的锁相环路压控振荡器二合一芯片。这款型号为l m x 2 5 3 1 的芯片可在7 6 5 m h z 至2 7 9 0 m h z 之间的频率范陶内工作，噪音更低至1 6 0 d b c h z 以下，可满足移动 电话网络设备以及市场上多种不同的产品，包括汽车电子系统、卫星接收系统以 及测试和测量仪表在内的多种需求。 q u a l c o m m 公司的r f l n 5 1 2 2 芯片则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。它集成了发射锁相环、压控振荡器和接收锁相环。 是首次应用射频c m 0 s 制造工艺生产的c d m a 2 0 0 01 x 芯片组。 相对来说，国内也有少数几家公司有自主的锁相环芯片，但属于风毛麟角， 尚不能对国际大公司的产品造成冲击。如美芯集成电路有限公司的 m c d 8 8 2 5 卜该芯片是我国第一款运用c m o s 工艺制造并拥有自主知识产权 的锁相环芯片，已形成4 0 0 万片的量产，并畅销美国和欧洲，占到了全球同类芯 片1 0 、近1 0 0 万美元销售额的市场。 国内的许多大学以及相关研究机构在锁相环方面的研究也取得了一定的进 步。其中，复旦大学曾先后针对d c s 1 8 0 0 标准的双环路频率综合器，以及 d v & t 接收机中的频率综合器【1 7 】等多种锁相环频率综合器进行了研究，并成功 设计了相关的芯片电路。而东南大学在这方面的研究也非常深入，特别是他们设 计的用于数字电视调谐的锁相环芯片s e r l 0 0 1 p l l v g a 已经可以直接推向市场。 中国科学院半导体所在2 0 0 6 初设计完成的快速锁定的锁相环频率合成器 芯片”，采用了自主创新的数字信号直接精确预置振荡频率的系统方法和电路结 构，在0 3 5 啪c m o s 工艺上实现传统的锁相环频率合成器的频率快速锁定。该 芯片及其相关技术可以广泛地应用在第三代移动通信、无线局域网和超宽带等无 线通信，尤其是高速跳频加密通信系统中，具有重大的实用价值。此外，如浙江 大学、北京大学、西安交通大学、上海交通大学、上海大学、电子科技大学等高 校也在这方面有了一定的研究成果f 培屹】。 1 3u h f 频段a s k 接收机简介 由于本文研究的是应用于u h f 频段的a s k 无线接收芯片中的锁相环，因此 本节将首先介绍a s k 接收机的结构及基本工作原理，然后针对a s k 接收机的要 求对锁相环提出相应的性能指标。 本文所设计的锁相环频率综合器是应用于a s k ( 幅移键控) 接收芯片中， 第一章绪论 它的应用频率范尉为2 9 0 m h z - 5 0 0 m h z 。整个接收芯片由低噪声放大器、混频器、 中频滤波器、中频放大器以及锁相环等模块组成 2 3 】。图1 2 为a s k 接收芯片的 系统框图。 图1 2a s k 接收芯片系统框图 从圈1 2 可以看到，射频信号r fi n 从天线接收下来以后通过低噪声放大器 ( l n a ) 进行放大、再通过混频器( m i x e r ) 与本振信号( l o ) 进行混频i 接着 通过中频滤波器( i ff i l t e r ) 进行滤波得到中频信号( i f ) ，该中频信号经过中频 放大器( i fa m p i i f i e r ) 进行放大并进行a s k 信号艇调；最后解调过的信号通过 数字滤波器、峰值检测器、数字判决器等基带处理模块( b 船e b 明db l o c k s ) 进行 信号重建，输出最终的数字信号( d a t o u t ) 。其中，本振信号由同一芯片的 电荷泵锁相环( c p p l l ) 环路提供。整个锁相环路由晶振电路( o s c ) 、电压控 制振荡器( v c o ) 、分频器( d i v i d e r ) 、鉴频鉴相器( p f d ) 、日b 荷泵( c h a 唱ep l l m p ) 以及环路滤波器( 外接) 等电路模块组成。其中，偏置与控制模块( b i 鹤& c o n t r 0 1 ) 提供整个芯片各个模块的电流，电压偏置，并通过p l l e n 接口控制锁相环路电路 的工作与否，以达到降低功耗的要求。 本文设计的锁相环在a s k 接收机中的作用是为频率综合器提供一个稳定可 靠的本振频率。根据a s k 接收机的整机性能要求，对锁相环设计应达到如下性 能指标： 1 1 输出频率范围：2 9 0 m h 备5 0 0 m h z 2 1 环路带宽：3 0 0 船 3 ) 阻尼系数：o 7 4 ) p l l 输出噪声指标：一7 0 d b c 小z 1 0 k h z ，一9 0 d b c h z 1 0 0 k h z 5 ) 功耗：3 州( 电源电压5 v ) 6 1 锁定时间：8 0 淞 第一章绪论 1 4 论文组织结构 第一章，“绪论”，首先介绍本文的研究背景以及立题意义，随后介绍了锁相 环的国内外研究现状。鉴于本文研究的锁相环是基于u 频段的a s k 接收机中， 因此简单描述了a s k 接收芯片的基本结构以及工作原理，并相应的列出了该系 统中锁相环的相关性能指标。最后，大致介绍了本文的组织结构。 第二章，“锁相环基本原理”，介绍了锁相环的基本工作原理，以及锁相环的 一些相关参数。特别介绍了本文采用的电荷泵锁相环结构的工作原理，并通过 s i m u l i n k 6 o 进行了建模分析。最后，通过对锁相环的噪声分析，得到了相关改 进环路噪声的办法。 第三章，“锁相环电路设计与优化”，从环路滤波器的设计入手分别计算并 设计了锁相环的相关设计参数。接着设计了鉴频鉴相器、电荷泵、整数分频器等 模块电路，通过对传统电路的优化，利用b i c m o s 工艺的优势，在电路版图面 积、功耗、速度方面都得到了改进。 第四章，“压控振荡器设计”，首先分别分析了环形压控振荡器与l c 压控振 荡器的振荡机理，并设计了具有快慢通路的环形压控振荡器以及采用片外l c 回 路的压控振荡器。随后通过对两种压控振荡器的仿真，在输出信号振幅、调谐线 性度、调谐范围以及相位噪声等多方面进行比较，确定了l c 压控振荡器作为 a s k 接收芯片中锁相环系统的压控振荡器。最后针对变容二极管进行了v t t i l o g a 建模，使得能够在s p e c t r e 软件中进行l c 压控振荡器的仿真，通过仿真验证了 这种建模的可行性。 第五章，“仿真、版图设计与测试”，首先通过锁相环整体仿真，得到了锁相 环锁定的相关参数。接着，简单介绍了流片工艺的相关参数，并针对模数混合锁 相环的要求，对整个锁相环电路进行了版图设计。最后，通过对芯片的测试表明， 本文设计的锁相环系统完全可以应用于a s k 接收芯片内。 第六章，“总结与展望”，对本文做了总结，并针对未来的发展趋势，对本文 的后续工作提出了一些意见与看法。 第二章锁f 目环基本原理 第二章锁相环基本原理 锁相环是一个闭环相位自动调节系统，它能够使输出信号的相位与频率同输 入参考信号的相位与频率进行同步。同时，在锁相环处于锁定状态时。振荡器的 输出信号与输入参考信号的相位差为零，或者保持为一个常数。 如果系统中存在相位差，那么锁相环的控制机制将作用于振荡器，使相位差 逐渐减小。在整个控制系统中，输出信号的相位始终锁住参考信号的相位，这也 就是锁相环名称的由来。 为了阐明本文设计的基本理论，本章首先介绍锁相环的一般工作原理；然后， 着重分析了电荷泵锁相环的组成及其线性化模型，并且通过s i m u l i n k 6 o 的电荷 泵锁相环模型从系统的角度加以分析；最后对锁相环系统做了一定的噪声分析， 得出了改进噪声特性的相关结论。 2 1 锁相环工作原理 本节将分别从时域、频域两方面分析锁相环在锁定状态下的环路工作过程。 通过时域的分析可以使我们对锁相环的工作过程有一个比较直观的认识，而频域 的分析则更有利于对环路的各个参数进行分析。 2 1 1 时域分析” 锁相环的基本结构是由鉴相器p d ( p h a s cd e t e c t o r ) 、环路滤波器l f ( 1 0 0 p f i i t c r ) 和压控振荡器v c o ( v o i t a g ec o n 仃o l i e do s c i l i a t o r ) 三个基本模块组成。鉴相 器是相位比较装置，比较输入信号u l ( t ) 和v c o 的输出信号u 2 ( t ) 的相位，并产生 与两个信号相位差相关的误差信号l 】d ( t ) ；环路滤波器的作用是滤除啦( t ) 中的高频 成分和噪声；压控振荡器是频率受电压蚶t ) 控制的振荡器。通过闭环调节作用， 使v c o 的输出信号u 2 ( t ) 的频率与输入信号u l ( t ) 的频率靠拢，直至消除频差丽锁 定。图2 1 ( a ) 是锁相环的基本结构框图。 第二章锁寿 i 环基本原理 j_ o l r r b ) l ， be ( c ) 图2 ，l ( a ) p l l 结构框图 ( b ) v c o 传递函数( u f 为控制电压；m2 为输出信号的角频率) ( c ) p d 的传递函数( 万为鉴相器输出信号的平均值；。为相位误差) 其中“1 ( t ) 为输入信号，uj 为输入信号的角频率，m 2 为压控振荡器输出信号 啦( t ) 的角频率，u d ( t ) 为鉴相器输出信号，l l f ( t ) 为环路滤波器的输出信号；v c o 的 振荡频率。2 是由( 2 1 ) 式所决定： ( 0 = 铖+ k r ( f ) ( 2 1 ) n 为v c o 的中心角频率，硒为v c o 的增益，单位为厂口d + 5 矿。( 2 1 ) 式也可以用图2 1 f b ) 来表示。鉴相器p d 也可以看作是相位比较器，它用来比较 振荡器输出信号与参考信号的相位，从而产生一个输出信号u d ( t ) ，这个输出信号 与前两个输入信号的相位差日。在一定范围内成线性关系，如图2 1 ( c ) ，即： “。( f ) = 乜见 ( 2 2 ) 其中k d 为鉴相器的增益，单位为矿- 删。鉴相器输出信号u d ( t ) 包含一个直流分 量和多个交流分量，而交流分量将通过环路滤波器将以滤除。 假设一开始输入信号的角频率与压控振荡器的中心角频率相等，那么v c o 将振荡在其中心频率上，相位差为零，鉴相器的输出信号也为零。同时，环路滤 波器的输出信号也为零，从而使得v c o 能够在其中心频率上振荡。当相位羞晓 一丌始不为零时，鉴相器输出信号u d 不为零，经过一定延时以后，环路滤波器 将产生一个信号嘶迫使v c o 改变其振荡频率来使得相位差减小并消失。 第二章锁相环基本原理 ( a f b f d f r e (犬叩八、 八八、 川。，v vt 。 7 l ，厂，、八i 厂一 v；u 7 - 一￥一 ，万 毽= o 日。8 。p 。日。 。 i ，吡 - 执 图2 2 锁相环对输入信号相位阶跃变化的瞬态响应 ( a ) 参考信号u 。( t ) ( b ) v c o 输出信号u 2 ( t )( c ) 信号万与晚 ( d ) v c o 输出角频率m2 ( e ) 参考信号u 。( t ) 的角频率1 假设输入信号在如时刻频率有一个跳变，频率突然增加了u 。如图2 2 所 示，输入信号的相位超前于输出信号相位，并且相位误差随着时间逐步增大。同 时，鉴相器产生一个输出信号u d ( t ) ，也随着时间逐步增大。这个信号经过滤波器 后使得输出信号“t ) 也跟着增大，从而最终导致v c o 的振荡频率增大。接着， 相位误差o 。就会逐渐减小，经过一定的建立时间后，v c o 的振荡频率m 2 正好 等1 ：输入信号的频率m 1 。锁相环最终锁定的相位差并不一定总是为零，这要取 决于环路中的滤波器类型，锁相环系统最终的相位误差可为零或一个固定的有限 值。 以上是锁相环对输入信号频率阶跃跳变的响应在时域范围内的一个简单分 析，而锁相环实际的t 作过程更为复杂，这一点通过频域分析就可以得出。 2 1 2 频域分析”4 2 5 第二章锬辎环基木原理 在上一节中，已经对锁相环进行了定性的分析，为了更好的分析锁相环的丁 作原理，有必要对其相关模块的数学模型以及整个环路的传输函数做下分析。 p dl p fv c o 一一一一一一一一一一一一一一 图2 3i 型锁相环线性模型 鉴相器的输出除了高频分量，还有一个直流分量等于k do 。因为高频分量 被环路滤波器抑制掉了，所以可以将鉴相器模型简化成一个减法器，如图2 3 所 示，其输出被“放大”了k p d 倍，这一点从( 2 2 ) 式中就可以得出，其中k p d - k d 。 为了方便起见，环路滤波器采用最简单的r c 积分滤波器，则 ( 2 4 ) 其中，”l p f = 1 ，( r c ) ，是指一3 d b 带宽。由( 2 1 ) 式可以得出v c o 的传输函数 为k v c o s ，k v c 。= k o 。因此，图2 1 ( a ) 中的基本锁相环，可以用图2 3 中的各模 块数学模型来表示。这里，由。和由“分别指输入输出波形的剩余相位。由此， 可以得出其开环传输函数为： 蚴b 2 昔t 圭争 眨s ， ( 2 5 ) 式中在s = u 。处与s = o 处有两个极点，一个来自于环路滤波器，一个来 自于压控振荡器。由于图2 3 中反馈系数为l ，所以环路增益等于( j ) i ，而 且，因为环路增益在原点处有一个极点，故称该系统为“i 型”。 将( 2 5 ) 式简化可以得到： 删k 箍。盏 6 ) 一般定义k = k p d k v c 0 为环路增益，其单位为r a d s 。为了便于分析锁相环的稳定 性，又可将( 2 6 ) 式化为以下形式： 9 第二章锁相环基本原理 耶) = 兀慕 ( 2 7 ) 其中 。= l 丘p d j ( ( 2 8 ) 2 三j 彘 泣奶 m 。为“固有频率”，为“阻尼系数”。 从控制理论中可以知道，在一个二阶系统中，为了得到较理想的平坦的频率 响应，一般要求的值要大于o ，5 ，考虑到锁相环参数随工艺和温度的变化， 通常选择大于2 2 ，或者甚至为1 ，以避免过多的振荡。如果锁相环的输入信 号出现频率阶跃，系统响应中包含了一个频率为。1 一f2 的正弦成分，其衰减 的时间常数为( 洳。) 一。因此增大m 。，可以使锁相环能够快速锁定，但是由( 2 8 ) 式和( 2 9 ) 式可以得出 峨= 。，2 ，而要降低v c o 控制电压的波动，减小输 出信号的边带及相位噪声，就必须减小。l p f ，。l p f 越小，鉴相器输出的高频成 分被抑制得越厉害，但稳定时间常数就越长。因此，在实际设计i 型锁相环时， 必须对锁相环的稳定速度、控制电压的波纹( 也就是输出信号的质量) 、相位误 差与稳定性之间进行折衷考虑。 2 1 3 锁相环相关参数”1 在前面对锁相环进行时域和频域分析中，都是在假定环路已经锁定的前提下 来讨论的。但是一旦环路没有锁定，那么这些分析都是不能成立的。而在实际应 用中，例如开机、换频或者由开环到闭环等情况下，锁相环路刚开始总是失锁的， 并且必须经过一定时间才能从失锁状态到达锁定状态。为了更好的、全面的描述 和衡量锁相环系统的性能，因此引入了同步带【1 ) ”( h o l dr a n g e ) 、失步带u r o ( p u l l 一叫tr a n g e ) 、捕获带( 1 ) p ( p u l l i nr a n g e ) 以及快捕带( 1 ) 【( 1 0 c kr a n g e ) 等参数。 同步带m 。( h o l d r a n g e ) ：是锁相环保持静态锁定的频率范围。当环路锁定 时，逐步增大输入的频率差值，环路最终都能保持锁定的最大输入固有频差称为 同步带。在这个范围内，锁相环只能有条件的稳定。 失步带。( p u l l o u tr a n g e ) ：是锁相环稳定工作时的动态极限值，由参 考输入信号所引起的频率阶跃来定义的。假设环路锁定，若参考输入信号发生频 率阶跃，其阶跃幅度小于失步带的话，环路依然可以跟踪锁定：若幅度大于失步 第二章锁相环基本原理 带而小于捕捉带的话，则环路进入捕获过程，只是这个过程将比较缓慢。 捕获带。( p u l l i nr a n g e ) ：是保证环路能够进入锁定的最大固有频差值。 这是锁相环总能锁定的范围，在这个范围内，随着捕获过程的进行，v c o 的振荡 频率将向着输入信号频率方向牵引，使得鉴相器输出的信号发生变化从而影响环 路滤波器输出的控制电压，经过多个循环之后，环路通过捕获过程达到锁定。 快捕带m ，( 1 0 c kr a n g e ) ：是锁相环路在参考频率与输出频率之间的一个 差拍波内锁定的频率范围。能实现快捕的最大输入网有频差称为快捕带。通常锁 相环的工作频率范围都限制在快捕带内。 s 忸t i c1 i m i t s0 fs t 8 b i l h d y n a t i l i c l i m h so fs t a b i l h 一 ( i ) h i o l d i i lm 1 9 e r ( ) p p i l l l j i ir a 】1 9 e ( ) p 0p u l l o u tr g e j 【i ) l l d c o 鼍g m a l o p 吼a t i i i a n g e l 阑澜| ： - 。， l 。训。 p n n d i t i o n a 】 = = l ：。 图2 4 线性二阶p l l 静励态稳定极限 图2 4 显示了上述四个参数对于大多数锁相环在实际情况下相互之间的关 系，从图中即可得到如下的不等式： 吼 啤d 啤 + mi li ，m ( ) n 一( ) c 1 。+ ( ) ( ) o i h 、 可戈# 图2 1 2 噪声的幅度调制与相位调制分解 图2 1 2 是相位噪声在频谱上的幅度调制噪声和相位调制噪声的分解，这两 种噪声的功率谱密度( p s d ) 是相等的，它们都是总噪声功率谱密度的一半。如 果噪声的功率谱密度足最( 叫，则相位噪声的功率谱密度为 & ( 蛔) = ；等 ( 2 2 3 ) 由于在频偏为一处的噪声同样对相位噪声有贡献，则要同时考虑正负频偏处 的噪声，这样得到的相位噪声与载波的比称为单边带相位噪声- 用4 ) 表示： 爿曲：墨! 垒竺! 墨生垒竺! ( 2 2 4 ) 其单位为d b c h z ，p c 是载波功率。例如，假设噪声是白噪声，& ( ) = o ，则 4 ) = 。( 只) 。 在实际电路中，由于相位噪声的来源不同，因此其频谱也分为不同的区域， 如图2 1 3 所示。其中l 序区域事由器件的热噪声造成的：靠近载频的l 序区域是 由器件的l f 噪声造成的，只要对环路带宽进行适当的设置，这类噪声可以被较 好地抑制。 以) 图2 1 3 相位噪声的不同区域 上 第二章锁相环基本原理 2 3 2 锁相环噪声分析 锁相环是一个闭环系统，其中有许多噪声源，除了白高斯噪声以外，所有的 模块都会产生一定量的噪声。图2 1 4 是电荷泵锁相环相位噪声的线性模型，图 中标示了五个噪声注入点，其来源分别为： n 1 ：输入信号的相位噪声、分频器的输出等效相位噪声； l 】2 ：鉴相器和电荷泵的输出等效噪声： n 3 ：环路滤波器的输出等效噪声； n 4 ：压控振荡器的输出等效耜位噪声： m ：分频器的输入等效噪声、以及其他注入噪声； n 1 n 2n 3 1 1 4 图2 1 4 电荷泵锁相环噪声模型 图2 1 4 中的噪声源都会传输到输出端，但是它们的传输函数备不相同，其 闭环传输函数的幅频特性如图2 1 5 所示。 峨：i i 巩3 ii 风。l i ， 图2 1 5 闭环噪声传输函数波特图 从图2 1 5 可知： 】) n i ，n 2 和n 5 的传输函数是低通的；t 1 3 是带通的；m 是高通的；而且其共 第二章锁相环基本原理 同的截止频率正比于环路带宽。 2 ) n l ，n 2 ，n 3 的通带增益是与分频系数n 成正比的；而1 1 4 ，n 5 的通带增益 足l ，与n 无关。 因此，可以得出以下一些结论： 1 ) 环路可以抑制来自于环路滤波器和压控振荡器的低频相位噪声，而对来 自于参考信号、电荷泵及分频器的低频嗓声不能很好地抑制( 除了降低 环路带宽) 。 2 ) 环路带宽小，对来自于参考信号、电荷泵及分频器的噪声得到较好的抑 制，但是对丁压控振荡器噪声的抑制能力下降；反之亦然。 3 1 除了v c o 的输出和分频器的输入处注入的噪声外，环路会对其他地方 注入的噪声有放大的作用，放大的倍数是和分频器的分频比成正比的。 也就是说，如果分频比很大的话，环路在低中频段的噪声可能会严重的 恶化。 正是因为各模块出现的不同的幅频特性，在设计锁相环时，必须综合考虑到 环路的带宽、分频比包括各个模块的增益，以及环路滤波器参数的选择等等因素。 在这些参数之间采取折衷的方法，来设计符合应用要求、噪声标准的锁相环电路。 2 4 小结 本章着重介绍了锁相环的基本工作原理，特别是从时域和频域两个方面进 行分析，也介绍了锁相环的一些相关参数。针对本文的电荷泵锁相环结构，详细 分析了这种结构的锁相环系统的工作原理，并通过s i m u l i n k 6 o 进行建模分析。 在本章的最后部分通过对锁相环的噪声分析，得出了一些抑制噪声的方法。本章 为后面几章的电路设计提供了理论基础。 2 l 第三章锁相环电路设计与优化 第三章锁相环电路设计与优化 在本文的第二章中已经介绍了电荷泵锁相环的基本结构及其原理，本文所设 计的锁相环电路正足采用了这种电荷泵锁相环的结构。如图3 1 所示。 图3 l 电荷泵锁稽环线性模型 由予锁相环是一个闭环系统，因此其系统的稳定性非常重要，在设计锁相环 的时候首先必须考虑环路的相关参数。通过f l o y d m g a r d n e r 提出的电荷泵锁相 环线性模型p ”，我们可以得到环路的闭环传递函数为： ，、k ，。k 州z o ) 也u ) _ 矿再巧而 d 其中k v c o 为压控振荡器v c o 的增益，k 甜为鉴频鉴相器p f d 的增益，z ( s ) 为环 路滤波器的传递函数。从( 3 1 ) 式中可以明显看出，环路滤波器的结构、传递 函数将直接影响到整个锁相环路的性能，本章将先从环路滤波器设计入手，从而 设计整个锁相环路的环路参数，接着分别设计鉴频鉴相器、电荷泵、整数分频器 等模块的电路。由于压控振荡器在锁相环电路中的作用比较特殊。本文将在第四 章中单独对其进行设计与分析。 3 1 环路滤波器与环路参数设计 3 1 1 环路滤波器设计 在锁相环电路中，环路滤波器是一个低通滤波器，它对整个环路参数的调整 起着决定性的作用。从环路的传递函数可以知道， v c 0 的传递函数可以用一个 积分器来近似，因此环路滤波器直接决定了整个锁相环路的阶数。环路滤波器的 阶数为m ，那么锁相环的阶数为m + 1 ，锁相环的阶数越高，对噪声抑制更好，输 出信号的频谱纯度越高，但是系统不容易稳定，并且设计的复杂程度较高，应用 第三章锁相环电路醴计与优化 性较差。因此一般设计中最常用的是二阶、三阶锁相环系统。 目前，常用的滤波器有无源比例积分滤波器，有源滤波器，有源j i 滤波器”1 。 在表3 一l 中列举了这三种类型滤波器的基本结构、波特图，表3 2 则列举了采 用_ 三种滤波器的锁相环传递函数以及自然振荡频率和阻尼系数的相关表示。 表3 1 三种环路滤波器基本结构与波特图 电路图波特图 。l z ( s ) l 无源比例 。闭。， l 积分滤波九 ， 器 l1 7 i + f 2 2 有源滤波 ：_ 阳 i z ( s ) l k 日 器 l f ) i 。 无源比例积分滤波器和有源j i 滤波器的参数：q = 墨c ，f ：= r 2 c 而有源器中的参数：f ，= 马q ，f ：= r ：g ，疋= q c 2 。 表3种环路滤波器所在的锁相环传递函数及相关参数 f 以垆心f ：；苫局 f 南j + 剖 2 。赢+ 葛：7 第三章锁相环电路设计与优化 茎q 鱼堡。l 塑量 h t 曲2 。s t + k 。爸k 一：，n 1 ik ，x ，x 。| v 墨洚d k 。 有源滤波 = 、 o 。+ f 2 ) 厂、 器 ：3 蜒嘉) f = 专一卜+ 赢 堡鱼坚 = 鲁 有源j i 滤 日c 句2 。：+ 。+ 足。姜：，。k 。k 。， f 2q + f 2 f = 譬t ： 波器 = 考篙 表3 2 中硒为v c 0 的增益，k d 为p 的增益，q 表示环路的自然振荡 频率，f 表示环路的阻尼系数。 除了上述三种类型的滤波嚣外，还有一种最简单的滤波器就足r c 积分滤波 器，丁- 程上大多采用这种类型的滤波器，本文的锁相环正是采用了这种滤波器结 构，考虑到工艺以及芯片面积等因素，滤波器采用片外形式。第二章中曾经简单 分析过这神类型的滤波器，图2 。6 中只有个电容的滤波器通常会造成系统的不 稳定，因此常常会在电容上再串连一个电阻来增加系统的零点，从而使系统更稳 定。图3 2 给出了这两种情况的波特图。 1 0 e m l o 足n ) 1 0 2 l o en 】 p h a s e ( 心p 。n ) p h e ( 也 ) 图3 2 ( a ) 单电容锁相环波特图 ( b ) 增加零点以后波特图 2 4 一斟 一 鼬x洲 第三章锁相环电路设计与优化 从( 2 1 4 ) 式中可以看到系统有两个虚极点，每个极点会产生9 0 度的相移， 所以系统开环时的相移恒为1 8 0 度，如图3 2 ( a ) 所示，由于锁相环没有任何相 位裕度，它闭环时是不可能稳定工