（微电子学与固体电子学专业论文）分数频率合成器中的高性能pfdcp设计.pdf

摘要 摘要 宽带、高速跳频频率合成器是整个跳频通信系统的核心模块。随着跳频通信系统的迅速发展， 宽带、快速锁定的频率合成器成为国内外研究的热点。由丁具有快速锁定和好的频谱纯度等优点， 分数频率合成器成为宽带、快速锁定频率合成器的一种普遍的实现方式。 论文设计了分数频率合成器中的高性能鉴频鉴相器和电荷泵。论文首先介绍了鉴频鉴相器和电 荷泵的一l ：作原理及分类，阐述了有关鉴频鉴相器和电荷泵的各种不同电路结构的优缺点及原理上的 差异，并详细讨论了鉴频鉴相器和电荷泵的性能指标及设计中需要考虑的问题。基于锁相环路的设 计要求，论文确定了鉴频鉴相器和电荷泵的指标要求，进行了鉴频鉴相器和电荷泵的电路设计，设 计了一种基丁c m o s 逻辑单元的高性能鉴频鉴相器和基丁二普通型电荷泵结构的带有大摆幅电流镜的 高性能全差分型电荷泵。电路设计完成以后，用c a d e n c ev i r t u o s o 软件进行了鉴频鉴相器和电荷泵 的版图设计，在版图的设计过程中，充分考虑了各种情况对电流失配的影响，其中晶体管的对称性 设计是关乎到电荷泵电流失配减小的关键冈素之一。 最后，基于c h a r t c r e x i0 1 8 t mr f c m o s ：【艺库完成了鉴频鉴相器和电荷泵各项性能指标的前后 仿真验证及计算分析，同时完成了芯片的测试。测试结果表明，电荷泵的电流失配小于0 9 ，完全 符合设计要求。 关键词：鉴频鉴相器、电荷泵、锁相环、电流失配、死区、相位噪声 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ew i d e b a n d ，h i g h s p e e df r e q u e n c y - h o p p i n gf r e q u e n c ys y n t h e s i z e ri st h ec o r em o d u l eo ft h ee n t i r e f r e q u e n c y - h o p p i n gc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m a l o n gw i t ht h ef r e q u e n c y - h o p p i n gc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m r a p i dd e v e l o p m e n t ，t h ew i d e b a n d ，f a s tl o c k i n gf r e q u e n c ys y n t h e s i z e rh a sb e e nap o p u l a rs t u d yp o i n to f c h i n aa n da b r o a d w i t hf a s tl o c k i n ga n dg o o df r e q u e n c yp u r i t y ，f r a c t o n a l - nf r e q u e n c ys y n t h e s i z e rh a sb e e n ap o p u l a rc h o i c et of o r m u l a t et h ew i d e b a n d ，f a s tl o c k i n gf r e q u e n c ys y n t h e s i z e r t h ed e s i g no fp f d c p ( p h a s ef r e q u e n c yd e t e c t o ra n dc h a r g ep u m p ) w h i c hw i l lb eu s e do nf r a c t i o n a l - n f r e q u e n c ys y n t h e s i z e rw a sp r o p o s e db yt h i st h e s i s 。b e g i n n i n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ep f d c ps t r u c t u r e a n di t sw o r kp r i n c i p l e ，t h ep r o sa n dc o n so fe v e r ys t r u c t u r ea n dt h ed i f f e r e n c eo ft h ep r i n c i p l ew e r e d e s c r i b e da n dt h e i rp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r sa n dd e s i g ni s s u e st oc o n s i d e rw e r ed i s c u s s e di nd e t a i lb yt h e t h e s i s i na c c o r d a n c ew i t ht h ed e m a n do ft h el o o pt op f d c p ，ah i g hp e r f o r m a n c ep f db a s e do nc m o s l o g i c a lu n i ta n dah i 【g hp e r f o r m a n c ew h o l ed i f f e r e n t i a l t y p ec pw h i c hc o n s i s t so faw i d e - s w i n gc u r r e n t m i r r o ra n das y m m e t r i cc h a r g ep u m pp a i rh a v eb e e nd e s i g n e d a f t e rc i r c u i td e s i g nw a sc o m p l e t e d ，t h e l a y o u td e s i g nw a sf i n i s h e dw i t hc a d e n c ev i r t u o s o i nt h ep r c o e s so ft h ed e s i g n ，a l lt h ec i r c u m s t a n c e sw h i c h i n f l u e n c e st h ec u r r e n tm i s m a t c hh a sb e e nt o o ki n t oa c c o u n tf u l l yb yt h et h e s i s ，e s p e c i a l l yt h es y m m e t r i c a l d e s i g no ft h et r a n s i s t o r sw h i c hc o m e sd o w nt ot h ep e r f o r m a n c eo ft h ec u r r e n tm i s m a t c h f i n a l l y ，t h es i m u l a t i o n ，c a l c u l a t i o na n da n a l y s i so ft h ep e r f o r m a n c eo f t h ep f d c pb ys p e c t r ew i t ht h e c h a r t e r e d0 18i - t mr f c m o st e c h n o l o g ya n dt h em e a s u r e m e n to ft h ec h i pw e r ec o m p l e t e db yt h e t h e s i s t h em e a s u r e m e n tr e s u l t ss h o wt h a t t h ec u r r e n tm i s m a t c ho fc pi sl e s st h a n0 9 i nc o n c l u s i o n ，t h e d e s i g ni sf u l l yc o n s i s t e n tw i t ht h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：p f d ( p h a s ef r e q u e n c yd e t e c t o r ) 、c p ( c h a r g ep u m p ) 、p l l ( p h a s el o c k e dl o o p ) 、c u r r e n t m i s m a t c h 、d e a dz o n e 、p h a s en o i s e i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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 并表示了谢意。 研究生签名：麦j 益 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：萤磊导师签名： 第一章绪论 1 1 锁相环概述 第一章绪论 近十年来，无线通信技术的发展有目共睹，从电视技术、手机、无线网络等的发展就可见一斑。 在射频收发系统中，锁相环p l l ( p h a s el o c k e dl o o p ) 式的频率合成器( f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r ) 被广 泛使用 1 - t o 】。频率合成器在通信系统中可以用来提供本振，也可以用米提供时钟信号。 锁相环的原理很早就有人提出，但最早的成功是在1 9 4 0 年用于电视机扫描行同步装置中，抑止 噪声对同步信号的干扰，使得电视图像的同步性得到很大的改善。随着半导体工艺技术的发展，深 亚微米c m o s 上艺的出现，p l l 的性能不断提高，应用范围也不断的发展，成为现代通信领域中不可 缺少的部分。而作为p l l 环路关键部件的鉴频鉴相器决定着其精度和稳定性，而电荷泵在锁相环电 路中的应用使得锁相环具有无限的频率捕捉范围。这样，鉴频鉴相器和电荷泵也成为现代通信领域 研究的热点。 1 1 1 整数p l l 的发展 1 普通型p l l 的应用 图1 1 ( a ) 所示为普通型p l l 整体结构框图，由图可见，普通型p l l 主要由鉴相器p d ( p h a s e d e t e c t o r ) ，低通滤波器l p f ( 1 0 wp a s sf i l t e r ) 和压控振荡器v c o ( v o l m g ec o n t r o lo s c i l l a t o r ) 组成。 鉴相器p d 将输入的参考信号和压控振荡器v c o 的输出信号经n 分频器后进行比较，从而产生误差 控制电压v ，d ，并经过低通滤波器l p f 后以v 。m 米调整压控振荡器v c o 的相位( 或频率) 从而实 现频率和相位的精确跟踪。鉴相器p d 的平均输出v p d 与其两个输入的相位差a o 成线性比例。在理 想状况f ，v p d 和m 之间的关系是直线的，直线的斜率k p d 就是鉴相器的增益。常用的p d 主要是 由g i l b e r t 单元组成的模拟乘法器p d ，x o r 式p d ，r s 锁存器p d 等，但这些p d 只能进行鉴相而 不能进行鉴频，这将大大影响p l l 的性能，卜面的小节中将详细讲解。 ( a ) 图1 - 1 ( a ) 普通型p l l 整体结构框图 ( b ) ( b ) 普通犁p l l 线性数学模犁 将普通型p l l 的各个组成部分用它们各自的传输函数来表示，即构成了普通型p l l 的线性数学 模型，如图1 - 1 ( b ) 所示，由该数学模型导山p l l 的开环传输函数和闭环传输函数，如公式( 1 1 ) ( 1 2 ) 所示，锁相环的很多分析都需要借助这些公式。 日( 耻4 f f 凯po u ，t 开= k 肋郴) 争 ( 1 - 1 ) 日( 沪鲁i 闭2 瓦k 而e o f 瓦( s ) k j v c o 丽n ( 1 2 ) 2 普通型p l l 的改进 通信系统中有一个很重要的指标就是频道切换的时间，这个时间取决于其所使用的p l l 的锁定 时间。而p l l 环路的锁定是个动态过程，它从失锁剑锁定状态需要捕捉过程。在通常的p l l 设计中， 捕捉时间的长短是设计考虑中很关键的性能要求。通常仅仅靠环路的自身捕捉，捕获时间较长。一 东南人学硕卜学位论文 般要采取某些措施，来缩短捕捉的时问。由公式( 1 3 ) 分析知：捕捉时间乙主要取决于输入同有 频率差a 蛐和环路的带宽。 ， 【国f ) ，1 胪瓦了 。7 t p ：2 5 - 3 0 ( 1 4 ) ，p d 此外，根据捕捉时间t p 的经验公式( 1 4 ) 可知，捕捉时间t p 还和鉴相频率f p d 有关，鉴相频率越低， 捕捉时间就越长。根据上述分析，我们可以得到缩短捕获时间的办法： ( 1 ) 扩大环路的带宽。环路做成可变带宽，捕捉时使带宽增大，锁定后带宽变成所需的带宽。 ( 2 ) 减小频差，加上鉴频器。 ( 3 ) 最有效的方法：采用鉴频鉴相器p f d ( p h a s e f r e q u e n c y d e t e c t o r ) 。p f d 即可做鉴频器用也 可以做鉴相器h j ，而且采用p f d 可以减小p l l 环路的捕获时间，所以在长期的研究发展中，p f d 已替代p d 成为p l l 设计和应用的主流。 3 电荷泵式锁相环的应用 众所周知，单独的p f d 或p d 只能将两个输入信号磊和力进行相位比较，输出相位差吼和y 。 将p f d p d 输出的脉冲m r 和矿的宽度转变成平均电压，一般方法有两种：其一：将m 足和矿送 入差分放人器放大，并通过l p f 输出；其二：采用电荷泵式p f d 。而采用电荷泵式p f d 的特点是： 如果r 一直为正脉冲充电，可使比趋于+ o o ；反之，脉冲m 矿引起的放电会使趋丁二一。由此 可见，电荷泵式p f d 在p l l 环路的应用有两大优点： ( i ) 锁相环的捕捉带仅仅由v c o 的可变频率范围决定，因为控制电压可以达到足够大。 ( 2 ) 由它们构成的p l l 在锁定时，参考信号和v c o 控制信号之间的相位差一定为零。只要有 无限小的相位差，就在电容c p 上形成无限的电荷积累。 基丁上述优点，现在国内外p l l 的设计大都采用电荷泵式锁相环结构。电荷泵式p l l 结构如图 1 - 2 ( a ) 所示；它由鉴相鉴频器p f d ，电荷泵c p ( c h a r g ep u m p ) ，低通滤波器l p f 和压控振荡器v c o 组成阳”引。p f d 检测参考信号和v c o 输出时钟信号的相筹和频率，产生u p 或d o w n 脉冲信号并送入电 荷泵c p ，进过电荷泵以后，脉冲信号被转化成电流，然后对低通滤波器进行充放电。低通滤波器将 滤除信号中的高频成分，再将结果送剑v c o ，v c o 将根据控制电压来改变振荡频率，并将输出送到分 频器( f d ) ，使得整个p l l 环路形成一个闭环反馈系统，直到v c o 被有效锁定在参考频率信号。图 卜2 ( b ) 为电荷泵式p l l 的线性数学模珲! 。由该数学模型推导出其开环传递函数及闭环传递函数， 如公式( 1 5 ) ( 1 6 ) 所示。 雪罐 ( a ) ( b ) 图1 - 2 ( a ) 电荷泵式p l l 整体结构框图( b ) 电荷泵式p l l 线性数学模型 即) _ l f f p o 加u t 肝2 鲁耶) 争 日( s ) - o 如u t 闭2 巧l 丽c p f ( 瓦s ) k 两v c o n 2 中继 ( 1 5 ) ( 1 6 ) 第一章绪论 1 1 2 小数p l l 的发展 随着无线通信技术的迅速发展，新的射频系统，如陆地集群无线电系统( t e t r a ，t e r r e s t r i a l t r u n k e dr a d i o ) ，要求频率合成器具有高的频率分辨率和快速的建立时间。快速的建立时间要求锁 相环具有宽的环路带宽，传统的基丁整数( i n t e r g e r - - n ) 锁相环( p l l ) 的频率合成器，由于受到 参考频率、环路带宽、频率分辨率和锁定时间之间的严格约束，无法满足这些新射频系统的要求。 基于小数( f r a c t i o n a l - - n ) 锁相环的频率合成器能有效地缓解参考频率、环路带宽、频率分辨率之 间的严格约束，由于合成频率是参考频率的分数倍，从而能实现高的参考频率和宽的环路带宽，进 而缩短建立时间。由于小数频率合成器”8 】具有上述优点，成为近年米，工业界和学术界研究的热 点。 实现小数分频的方法有吞脉冲( p u l s es w a l l o w i n g ) ，相位插值( p h a s ei n t e r p o l a t i n g ) ，随机 抖动( r a n d o mj i t t e r i n g ) ，和s i g m a - d e l t a 调制抖动( s i g m a d e l t am o d u l a t e dj i t t e r i n g ) 等，它们 各自有自己的优缺点，吞脉冲方法在合成输出频率中产生寄生边带频率( s p u r i o u sf r e q u e n c y ) ，相位 插值对：l ：艺、电源电压和温度即p v t 的变化敏感，且需要高复杂度的数模转换器( d a c ) ，随机抖动在 输出频率的频谱中引入1 f 2 相位噪声，一调制争舯1 抖动具有相对高复杂度和功耗，但是，相比较 其它儿种方法，它对p v t 不敏感，利用其噪卢整形的能力，可以达到好的频率分辨率和频谱纯度， 由于这些优势，它成为现在实现分数频率合成器的研究热点。 采用s i g m a - d e l t a 调制器的小数分频锁相环结构如图1 - 3 所示，参考信号f r e r 和分频器( f d 的输 出信号进入鉴频鉴相器和电荷泵( p f d c p ) 产生一个电流输出，此电流进入环路滤波器( l p f ) 产生一个 电压，通过这个电压来控制压控振荡器( v c 0 ) ，得到的信号反馈回d i v ，从而形成一个环路，其中d i v 的分频值是由s i g m a - d e l t a 调制器( s i g m a - d e l t a m o d u l a t o r ) 来控制的。这种结构是目前分数频率合 成器的土流结构，这种结构的关键就是s i g m a d e l t a 调制器的引入，其利月j 自身的噪声整形功能可 以大大降低小数锁相环的毛刺。 f r e f 1 2 课题的提出 图卜3s i g m a d e l t a 小数锁相环结构图 f o u t 论文在国家8 6 3 项目宽带c m o s 锁相环技术研究基础上，进行了分数频率合成器中的高性能鉴频 鉴相器( p f d ) 和电荷泵( c p ) 的没计。作为锁相环式频率合成器的主链路的重要部件，鉴频鉴相器和电 荷泵的好坏直接影响到环路性能的好坏。例如，由丁死区( d e a dz o n e ) 的存在，其振荡频率就会在 一定范闱内振荡，严重时还可能导致失锁；电荷泵( c p ) 的电流失配也会导致其杂散性能的降低， 等等。这些严重的1 仁理想特性都会导致锁相环整个环路的性能急剧恶化，从而导致相位噪卢等重要 参数不能达到整个系统的要求，在s i g m a - d e l t a 小数锁相环中，这种影响更为严重。 1 3 论文的结构 论文在第一二章中，在前人基础上总结了鉴频鉴相器( p f d ) 和电荷泵( c p ) 的常用结构组成， 3 东南人学硕i ：学位论文 并分析了这些结构性能的优劣，同时介绍了各种非理想特性对于整个环路的影响。第二章完成了高 性能鉴频鉴相器和电荷泵的电路设计，并根据相应的性能指标的要求作出电路的优化。第四章进行 了电路的版图设计，在版图设计过程中，充分考虑了对称性对p f d c p 性能的影响。第五章基丁二 c h a r t e r e d0 1 8 u m r f c m o sj r 艺库，对p f d 及c p 的各项性能指标作出了详细的分析和仿真验证，并 对芯片完成了测试验证。结束语部分总结了论文各项的研究工作，并提出进一步的展望。 4 第_ 二章攀频签相器和电荷泉的理论基础 第二章鉴频鉴相器和电荷泵的理论基础 锁相环p l l ( p h a s el o c k e dl o o p ) 是一种采用负反馈控制技术而实现输入相位和输出相位比较的 系统。首先通过鉴频鉴相器p f d ( p h a s e f r e q u e n c yd e t e c t o r ) 比较参考信号和乐控振荡器经过分频器 分频后的信号的相位差，电荷泵取出与这两个信号的相位误筹成正比的电压作为误差电压米控制压 控振荡器( v c o ) 的频率，以达到调节分频器输出信号的频率与参考频率相等的目的。 在p l l 环路中，鉴频鉴相器的功能是比较两个输入信号的相位和频率，并将它们的差别转换为 电压信号输出剑电荷泵。电荷泵将得到的电压信号转换为电流，对环路滤波器进行充放电，从而调 ：例吾控振荡器的控制电压，进而调1 了其振荡频率，其中鉴频鉴相器的输入信号分别为参考频率信号 冬f 和压控振荡器输出经分频器分频以后的信号。 2 1 鉴频鉴相器和电荷泵的工作原理 2 1 1 鉴频鉴相器的工作原理 鉴频鉴相器p f d ( p h a s e f r e q u e n c yd e t e c t o r ) 是锁相环中的重要组成部分，它主要对系统输入信 号和内部的反馈信号进行频率和相位的比较，输出结果直接用来控制v c o ，以产生系统所需要的各 种频率信号p 引。 理想的p f d 框架示意图如图2 - 1 ( a ) 所示。p f d 的t 作原理类似于差动放人器，两者都是检测 两个输入的差值，产生与之正比的输出。p f d 的平均输出v 。与其两个输入的相位差a o 成线性正比 例关系。在理想状况下，p f d 的平均输出电压应与两输入信号的相位差成正比v o u t = k p d ( o - 一z ) = k p d a o 。v 州和之间的关系是线性的，直线的斜率k p d 就是p f d 的增益。图2 1 ( b ) 所示为理想 p f d 的特性曲线“。 3 嚏 p f d 【置】 y 幢 。- 茇碡 。 0 y ( h ) s t a t e o ( c ) 图2 - 1p f d 示意图( a ) 理想的p f d 框架示意图 ( b ) 理想的p f d 的特性曲线( c ) p f d 状态机原理图 s t a t e l l 图2 一l ( c ) 为鉴频鉴相器p f d 的状态机示意图1 2 9 3 0 。，其二态t 作方式分析如下： ( 1 ) 当p f d 处于状态0 时，u p 和d o w n 的输出信号都处于无效状态； ( 2 ) 当p f d 处于状态i 时，u p 为“l ”，d o w n 为“o ”，它与状态0 的转换如f ：当名f 信号 的上跳沿到米时，u p 从无效“0 ”状态转化为“1 ”状态，直到。信号的上跳沿到来时，再由“l ” 5 东南大学硕l ：学位论文 状态转化为无效“0 ”状态，而此时，d o w n 信号一直维持无效状态。 ( 3 ) 当p f d 处于状态i i 时，u p 为“0 ”，d o w n 为“l ”，它与状态0 的转换如下：当信号 的上跳沿到来时，d o w n 从无效“o ”状态转化为“l ”状态，直到k 信号的上跳沿到来时，再由 “l ”状态转化为无效“0 ”状态，而此时，u p 信号一直维持无效状态。 众所周知，当环路进行频率捕捉时，p f d 就以鉴频方式：r 作；当进入相位锁定区域以后，它就 转化为鉴相方式：f 作，正是因为其既能够鉴频又能够鉴相，才能使得它在当今的锁相环中如此普遍 的被使用。当输入参考信号的频率大r 输入受控信号v c o 的频率，即f 之f k 。时，鉴相鉴频器p f d 就产生正脉冲u p 信号，而d o w n 信号一直保持低电平，如图2 2 ( a ) 所示。相反的，如果f k f 。的理想波形图 2 1 2 电荷泵的工作原理 ( b ) ( b ) f 之f 。时， p f d 产生正脉冲u p 信号，由于p f d 的1 f 理想性，使得d o w n 信号同时产生复位脉冲信号，此时， c p 充电且比增加，如图2 4 ( a ) 所示：当f 。，p f d 则产生正脉冲d o w n 信号，且由于p f d 的非理想性，使得u p 信号也同时产生复位脉冲信号，此时，电荷泵放电且减小，如图2 4 ( b ) 所示。 k 厂1 一。厂1 厂_ l 厂 一。 钿厂 门nr t 如。厂1 厂1 厂_ l 。一厂 昂门n 几几 ：士j 一 ( a ) 图2 4 ( a ) 乓p f r o 。时p f d 及c p 丁作状态时序图 2 2 鉴频鉴相器和电荷泵的分类 ( b ) c b ) 名f f v c 。时p f d 及c p 工作状态时序图 鉴频鉴相器( p f d ) 既可以检测相位也可以检测频率，纵观国内外的设计和发展，应用丁c m o s 锁相环中的p f d 电路设计目前有四种结构：普通型边沿触发式p f d ；预充电式n cp f d ( n o nc l o c k p f d ) 及p t _ p f d ( p r e c h a r g et y p ep f d ) t s p c ( t r u es i n g l ep h a s ec l o c k i n g ) 动态结构的d 触发器式p f d ； 全差分犁边沿触发式p f d 。此外，随着p l l 环路设计不断发展，满足p l l 系统整体要求的电荷泵 电路的设计也呈现出多样化的发展。根据需求c p 的结构可以大致分为四类：传统三态型；电流控 制型：差分输入单端输出型及全差分犁1 1 】【1 2 】。 2 2 1 鉴频鉴相器的分类 1 预充电式n cp f d 和p tp f d 预充电式n cp f d ( 1 9 9 8 年提出) 如图2 5 ( a ) 所示f 8 】【12 1 ，它主要由两个n c 级延迟( 两个反相 器) 放在参考信号和受控信号之间，以便去掉相位特性曲线在相差周同的死区。优点是结构简 单，无夕e 区，属于高速的p f d ；缺点是鉴相范同不高( 1 i ) ，而且它的相位特性依赖于输入信号的 占空比因数。 预充电式p tp f d ( 1 9 9 5 年提出) 如图2 - 5 ( b ) 所示，它由1 8 个晶体管组成，它的预充端点代 替了传统的触发器，该电路结构简单，延迟路径为二个逻辑门深度。优点是结构简单，属于高速的 p f d ：缺点是精确范围不高( ) ，有夕e 区存在。 2 普通型边沿触发式p f d 普通型边沿触发式p f d 如图2 - 6 ( a ) 所示【3 4 1 ，它由两个带有复位端( r e s e t ) 的沿触发的d 触 发器和一个逻辑门与门组成。优点是采用传统的d 触发器和与门构成，电路结构比较简单；而且线 性度好，鉴相范围宽( - - 2 7 t ，+ 2 n ) 。缺点是门延迟较大，t 作频率不高，使得p f d 电路的内部节 点不能被完全的拉高或拉低，造成电路在较高的工作频率f 会有很人的功耗和较低的工作速度；但 对于低频1 ：作它不受这方面的限制。 3 t s p c 动态结构的d 触发器式p f d 该t s p c 结构是基丁二传统的d 触发器改造而成的，如图2 - 6 ( b ) 所示【3 。优点是t s p c 结构 7 东南大学硕i 二学位论文 ( a )( b ) 图2 5 ( a ) n cp f d 电路图及其特性曲线( b ) p t p f d 电路图及其特性曲线 比较简单，只有一个时钟输入端和一个数据输入端，速度比较快；由于只有单时钟输入，使得相位效 果比较好，可以减少相位噪卢：而且和c m o s 标准门结构的d 触发器相比在高频一1 ：作情况下有较低 的功耗。缺点是如果输入信号的幅度较小就不能有效的一 作，必须加上s f 电路( 或者b u f f e r 电路) 增加输入和输出信号的幅度，这样势必会增加p f d 电路的功耗。 v d d b 0 0 w n u ， ( a ) 图2 - 6 ( a ) 普通型边沿触发式p f d 及其特性曲线 2 2 2 电荷泵的分类 ( b ) ( b ) t s p c 动态d 触发器式p f d 及其特性曲线 ( 1 ) 传统犁电荷泵 传统型电荷泵电路原理图如图2 7 ( a ) j 6 i f 示【5 12 1 ，两个m o s 管作为开关，u p 和d n 两个信号直 接控制m o s 管的j ：作状态。显然，该电荷泵的j ：作性能不是很理想。首先，m o s 管不是理想开关， 转换速度不快，并伴随载流子注入引起的错误；其次，当u p 和d n 信号都为低电平时，v c 是悬浮 的；这时，虽然v c 的电压值保持不变，但是a 点的电压被上拉到v d d ，而b 点的电压被下拉到v s s ， 这种跳跃现象会引起v c 电压的不连续性，该跳跃给p l l 环路引入噪卢，从而引起v c o 频率的不稳 定。 从其实现电路图图2 7 ( b ) 分析可见，当m p 3 关断时，在a 点的寄生电容被充电至v d d ，当u p 信号使m p 3 打开时，a 点电压从v d d 开始下降，当时该电压不能使m p 2 马上下作在饱和状态而要 在线性区丁作一段时间。因此，在a 点存储的电荷和流过m p 2 的电流会给负载电容一个过冲注入电 流，即会产生跳跃现象。 为了解决这个问题，国内外提出了很多改进方法。比较典型的办法有两种：一种是将u p 和d n 信号采用差分对管差分输入，并在其中加入一个运算放大器。另一种采用电流控制技术，以提高m o s 8 第二章鉴频签相器和电荷泉的理论甚础 管的开关速度和减少载流子注入引起的错误。 1 ，d d v d d ( a )( b ) 图2 7 ( a ) 传统型电荷泵电路原理图( b ) 传统型电荷泵电路图 ( 2 ) 改进型电荷泵 为了使电路简单，仅将传统型电荷泵电路作了略微的改动，图2 8 为简单的传统改进型电荷泵 电路图1 3 引。该电路的优点是m p 3 仅。1 j 作在截止或饱和状态，避免其：j 二作在线性区，从而避免了过冲 电流的产生。但是该电路在电荷泵输出为高时，m n 3 的栅电容将会起很人的影响作用；同时由于g 。加 和g 埘。，影响了开关速度，从而使该电路的丁作频率不能太高。 传统改进型电荷泵电路如图2 - 9 所示【1 6 】。该电路采用差分对管作为开关管，并且在其中加入 一个运算放人器。该电路利用运放的反馈作用使得a 点和b 点的电压保持一致，并使之与输出节点 m u p c d n 一 图2 8 简单的传统改进型电荷泵电路图图2 - 9 传统改进犁电荷泵电路图 的电压连续。虽然加入运放后，电路改善了跳跃现象，但是为了使运放的输出电流与i u d 和i d 。相匹 配，输出和共模输入电压达到从v s s 到v d d ，运放需要做的很大，这样运放会占据很人的版图面积， 使电荷泵电路大大复杂化，同时运放会有较大的输出电流会对原先的电荷泵产生很人影响。 ( 3 ) 几种新型的电荷泵 图2 - 1 0 给出了一种低压高速的电荷泵p2 | ，此电荷泵可以在1 v 电压下，以5 0 0 1 旺i z 的速度t 作。 当u p 信号由低到高的过程中，对于p 2 的电子注入时间会很长，冈而会影响p 3 的开关速度。为了 解决这一问题，电路中在p 3 的栅端增加了p 5 和m 1 ，此时，p 3 栅端的电压会很快降低，从而可以 9 东南大学顾f - q ：位论文 i u r 一l 图2 1 0 一种低压高速的电荷泵 很快的打开p 3 。当p 2 打开时，p 5 会处于饱和状态，所以p 5 可以看作是电流源，而不是开关。需 要注意的是，p 5 与m 1 需要高度的匹配，当它们同时导通时都处于饱和状态，同时，为了不在p 2 的栅端增加额外的电容，p 5 与m 1 的尺寸应该尽可能的小。由于p 3 在输出端会有电荷共享的效应 而对波形产生干扰，所以为了解决这一问题，电路增加了p 6 的缓冲级作为延时。保证p 6 在p 3 导通 之后( t d ) 导通，在t d 时间内，由p 3 产生的波动不会导入输出端的电容，同时，p 6 的寄生电容和 c d 也削弱了波动对丁输出的影响。 图2 1 l 给出了一种有效降低时钟馈通和电荷共享效应的电荷泵结构【9 】，该电路利用的是差分输 入差分输出的电路，该电路利用八个虚拟管四个n 管和四个p 管来消除八个开关管的电荷注入和时 钟馈通的影响；利用运放来使得电荷共享消除；并通过调节p b l 电压的大小来电节输出的共模电流 大小。 _ 。p 1 1 7t ；1 0 旦m 挖3p i q 每卜 n ； 幽 p 图2 1 l 一种有效降低时钟馈通和电荷共享的电荷泵 图2 1 2 给出了一种大输出摆幅的电荷泵】，增i j i m 4 、m 5 和m i o 、m 1 l 的目的是提高m 6 和m 1 2 1 0 匿 l，毗，啪+珊 n 5啊 上9： 加 毗 舶1 j h 第二章攀频黪相器和电荷泵的理论慕础 的开关速度。当u p 为低时，m 4 可以镜像至l j m 5 电流，使得m 3 的栅极电压迅速变高，可以很快关断 m 3 ，从而很快关断m 6 。 丽一 b 图2 1 2 一种人输出摆幅的电荷泵 图2 1 3 给出了一种利用正反馈技术提高开关速度的电荷泵结构5 1 ，此电路的优点是电路能够：1 = 作 很高的频率上，并且在很低的电压f ，仍然能以很高的频率：【：作，功耗比较低，输出电压可以在很大范 围变化，冈为其不会受到开关阈值电压的限制。 v d d 图2 1 3 一种利用正反馈技术的电荷泵 2 3 鉴频鉴相器和电荷泵对环路影响的分析 2 3 1 鉴频鉴相器和电荷泵的性能概述 1 鉴频鉴相器的性能概述 鉴频鉴相器( p f d ) 的主要性能包括鉴相灵敏度、鉴相范围、鉴相精度和最人：l ：作频率，这几个 性能指标之间有一定的折衷关系，设计时应根据需要仔细考虑。下面将详细描述这几个性能： ( 1 ) 鉴相灵敏度：鉴相灵敏度就是单位相位差产生的输出电压，单位为：v r a d 。一个理想的 鉴相器的灵敏度应与输入信号的幅度无关。当鉴相特性不为线性时，一般定义为t p e = o 点上的灵敏 度。 ( 2 ) 鉴相范围：是指鉴频鉴相器的输出电压随相位差单调变化的相位范围。理想的p f d 的鉴 相范围为【一2 兀，+ 2 n ，如图2 1 4 ( a ) 所示：然而，由丁复位电路的延迟效应，使得p f d 的鉴相范 围将小于4 兀，如图2 1 4 ( b ) 所示。 东南人学硕上学位论文 7 一皿 一k 一 陟y 0 红 矽 口皿j 卅一奎露卅刁卅一 陟匕 o 岬 旷一 西 ( a )( b ) 图2 1 4 ( a ) p f d 的理想特性曲线( b ) 鉴相范围小于4 兀的p f d 的非理想特性曲线 ( 3 ) 鉴相精度( “死区”) ：鉴相精度指得是p f d 能鉴别出的最小相位差。理想的p f d 的“死区” 为零，如图2 - 1 5 ( a ) 所示。而实际的p f d 当参考时钟信号k 和输出时钟信号。之间的相位误差 很小时，则在u p 或d o w n 上产生非常窄的脉冲，由于实际的p f d 存在：霄点电容，因此会有一定 的上升时间和下降时间，使得这些脉冲可能没有足够的时间剑达高电平，从而无法打开电荷泵，冈 而也就没有办法检测出此相位差。因此，如果输入的相位若小于某个定值0 ，这样滤波器输出 的电压就不再是的函数，冈为当绝对值小于0 时，电荷泵没有注入电流，这就意味着整个 p l l 环路增益为零，输出相位没有锁定。所以称在= 0 附近有一个人小等于0 的“死区”。 图2 - 1 5 ( b ) 所示为带有“夕匕区”的p f d 的非理想特性曲线图。 ( 4 ) 最大工作频率：是指鉴频鉴相器能够稳定上作的最高频率。如果输入时钟信号的频率为 t c l ( r e f = 2 t 。，根据前面的分析可知当= 冗，此时p f d 输出的错误信息就会占周期的一半，冈此就不 能连续的捕获频率锁定信息。所以，p f d 最人的_ l 作频率就定为：龟融f l ( 2k 鲫) 。由此可见， t 。t 与f 成反比，k s e t 越小，f c f 就越人。 根据上面p f d 各项性能指标的分析，在p f d 电路和版图设计中，我们应当仔细考虑各项指标之 间的相关性和重点性。一般来说，提高鉴相精度，减小“死区”范围的主要办法是改进复位电路， 增大延迟k 瞅就可以增大u p 和d o w n 脉冲的宽度，从而减小“死区”。但是当k 。增大时，就 相应的增大，这样鉴相范围就减小，捕获速度也相应地减慢；并且p f d 的最大工作频率f c l c f e f 也相 应地变小。由此可见，“死区”的减小和鉴相范围的提高是相互矛盾的，所以在保证良好的鉴相范同 和捕获速度的前提下，改进p f d 白勺死区特性，提高其鉴相精度是本文p f d 设计及优化的重点2 9 】【3 4 1 。 矿口皿一 一勉 0 瓠 痧 ( a ) 图2 - 1 5 ( a ) p f d 的理想特性曲线 2 电荷泵的性能概述 旷口皿 一氍 钥1 一 一苏毒 02 嚣 庐 ( b ) ( b ) 带有“死区”p f d 的非理想特性曲线 在c p 的设计过程中，最重要的性能指标是电流失配和噪声，下面主要介绍电流失配的基本概 念，具体的失配以及噪声对锁相环性能的影响放到下一小节来详细叙述。 众所周知，由t - p f d 的1 f 理想性，即使在输入相位差为零的情况下，也会在u p 和d o w n 的 两端产生窄的，重合的脉冲，为了消除死区的影响，这个重合脉冲往往会更宽。如果r e f 和v c o 同时上升，u p 和d o w n 也同时变高，从而激发复位。这样即使在p l l 锁定的状态下，u p 和d o w n 也会在有效的时间内同时打开电荷泵，这时上f 电流源同时打开，由于上下电流源的不匹配性，造 1 2 第- 二章餐频餐相器和电荷泉的理论基础 成上拉与下拉电流间存在一个i c p 的筹异，使得电荷泵产生的净电流不为零，而此电流差i c p 使 得v m 在每个相位比较的瞬间都产生一个同定值，将影响v c o 的最终输出，最终可能会造成整个 p l l 环路的丈锁。由此可见，失配电流主要是由于上下电流源晶体管的不匹配性能造成的，也就是 说晶体管的一些- 艺参数决定了电荷泵失配电流的大小1 2 3 j 1 2 4 ，如图2 - 1 6 所示。 ( a ) 图2 1 6 电荷泵电流注入的失配( a ) 原冈 ( b ) 瞬态响应 2 3 2 鉴频鉴相器和电荷泵的性能对坏路性能的影响 ( c ) c o ) 频率响应 1 抖动和相位噪声的概述 ( 1 ) 抖动： 公认的抖动的定义是：对一个理想的体系来说，参考信号的上升和下降沿都是在零点穿过域值 点的，而抖动就被称作对于整个理想穿越时间的偏移，如图2 1 7 所示。抖动可以分成确定性抖动和 随机抖动两种25 1 。 图2 1 7 抖动的图示 时间的抖动是由边沿的不确定性决定的，如r 图所示，可能的边沿会在一个时间区域的内部， 这一区域被称作p e a k t o p e a k 抖动。时间抖动可以用各种函数来表示，下图中的柱状函数可以表示 每次边沿出现的几率。通常情况下，这个函数可以表示时间抖动的密度函数，从这一柱状函数可以 看出，时间抖动并不是一个标准的高斯分布，这是因为时间抖动包括了确定性抖动和随机抖动两个 部分。 所谓确定性抖动是指非高斯密度函数的抖动，它通常是由幅度以及其它一些因素决定的，比如 周期的失真、正弦曲线等；而随机性抖动可以被看作高斯分布的抖动，与热噪声有关。从以上定义 中，可以看出，确定性抖动与随机性抖动有着本质的区别：确定性抖动被限制在p e a k - t o - p e a k 区域 里面，而随机性抖动则不是。对于随机性抖动来说，要经过很长时间的测革，并且用均方差( r m s ) 的值米表示。随机性抖动加上确定性抖动，就体现了整个的p e a k t o - p e a k 抖动。 ( 2 ) 相位噪声： 1 3 东南大学坝i ：学位论义 另一种表示信号边沿不确定性的方法是相位噪声。相何噪卢从一方面来说与时间抖动是等价的， 它们都是表示时间的误差，但是时间抖动是时域的，而相位噪声时频域的，如图2 1 8 所示。 相位噪声被广泛的应用在信号短时问的频率波动。一个理想的正弦信号可以由式( 2 1 ) 表示： v t ) = v os i n ( 2 万f o t ) ( 2 1