（微电子学与固体电子学专业论文）基于锁相环的频率合成器设计.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得北京工业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。 签 关于论文使用授权的说明 日期： 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 吼 摘要 摘要 随着集成电路的集成度的不断提高，锁相环( p h a s e l o c k e dl o o p ：p l l ) 电路 作为频率合成器的实现方式己经成为当代微处理器关键技术之一。随着时钟频率 的不断提高，它对微处理器的性能的影响也越来越大。 本文基于c m o s 工艺完成了一种电荷泵锁相环频率合成器的设计。首先对 锁相环频率合成器的组成和原理进行了介绍，分析了其结构和各组成模块的工作 原理及线性模型。然后详细论述了电路的设计过程，包括鉴频鉴相器、电荷泵、 环路滤波器、压控振荡器等电路模块的分析和设计。其中，鉴频鉴相器采用了低 功耗设计并实现了对电荷泵死区的消除；电荷泵设计实现了低功耗、电流匹配以 及电荷共享效应的消除；环路滤波器设计考虑对环路性能的影响采用了二阶无源 滤波器方案；差分环形压控振荡器采用了良好的调节方式并进行了降噪处理。另 外本文对于锁相环频率合成器相关的相位噪声和抖动进行了分析并给出了降噪 处理方式。最后，对所设计的电路进行了性能仿真并做了分析。 本文电路设计采用0 1 8 1 上i r n3 3 vc m o s 工艺实现。仿真分析结果表明：锁相 环环路的锁定时间在l o o u s 左右，v c o 的范围从5 0 m h z 2 5 0 m h z ，时钟抖动 ( j i t t e r ) 约为2 0 0 p s ，平均功耗为4 m w 。其中鉴频鉴相器具有鉴频、鉴相功能 和死区消除特性；电荷泵具有理想的电流匹配特性并实现了低功耗设计；四级差 分环形振荡器具有良好的调节方式及抗噪性能。环路系统达到了较好的锁定性 能。 关键词锁相环频率合成器；鉴频鉴相器；电荷泵：环路滤波器；压控振荡 器 北京工业大学工学硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n t e g r a t i o n d e n s i t y o f i n t e g r a t e dc i r c u i t sc o n t i n u ei n c r e a s e d , p h a s e l o c k e dl o o p ( p l l ) 嬲aw a yt oi m p l e m e n tt h ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e rh a s b e c o m eo n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e si nm o d e mm i c r o p r o c e s s o r s i tp l a y sam o r e i m p o r t a n tr o l ei n t h em i c r o p r o c e s s o rw i t ht h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to fc l o c k f r e q u e n c y 。 t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ed e s i g no fp l l f r e q u e n c ys y n t h e s i z e rs y s t e m f i r s tt h e c o m p o s i t i o na n dt h e o r yo fp l lf r e q u e n c ys y n t h e s i z e rs y s t e ma l eb r i e f l yd e s c r i b e d ； t h es t r u c t u r e ，w o r k i n gp r i n c i p l ea n dt h el i n e a lm o d e lo ft h em o d u l e sa l ei n t r o d u c e d a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nr e q u i r e m e n t st h ed e s i g ns o l u t i o n sa n dp r i n c i p l e sw e r e d i s c u s s e d t h ec i r c u i td e s i g no fp h a s ef r e q u e n c yd e t e c t o r , c h a r g ep u m p ，l o o pf i l t e r a n dv o l t a g ec o n t r o lo s c i l l a t o rh a sb e e ng i v e n i nt h i sp a p e rt h ec h o i c eo ft h ep f d s t r u c t u r ea n di t sf u n c t i o nt oe l i m i n a t et h e ( 1 e a dz o n eo ft h ec h a r g ep u m ph a sb e e n d i s c u s s e d t h en o n - i d e a lf a c t o r si nc h a r g ep u m pa n dt h es t r u c t u r ec h o i c ea n d l o w - p o w e rd e s i g no fc p h a sb e e nd e s c r i b e d t h el p f si m p a c t so nl o o pp e r f o r m a n c e s a l ei n t r o d u c e d a n dt h ea d j u s t m e n tp r i n c i p l eo ft h ed i f f e r e n t i a lr i n gv c oa n dt h e n o i s er e d u c t i o nm e t h o d sh a sb e e nd e s c r i b e d b e s i d e s ，p h a s en o i s ea n dj i t t e rr e l a t e dt o t h ep h a s e - l o c k e dl o o pf r e q u e n c ys y n t h e s i z e rh a sb e e na n a l y z e da n dt h en o i s e r e d u c t i o nm e t h o d sh a v eb e e ng i v e ni nt h i sp a p e r t h e nt h ep e r f o r m a n c e so fd e s i g n e d c i r c u i t sa l ea n a l y z e db ys i m u l a t i o n t h ep r e s e n t e dc i r c u i t sd e s i g ni si m p l e m e n t e d 、析t l lo 18 1 m a3 3 vc m o sp r o c e s s e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tl o c kt i m eo fp l l i sa b o u tlo o u s ，t h er a n g eo fv c oi s a b o u tf r o m5 0 m h z 2 5 0 m h z ，j i t t e ri sa b o u t2 0 0 p s ，t h ea v e r a g ep o w e rc o n s u m p t i o n i sa b o u t4 m w a l s ot h er e s u l t sp r o v e dt h a tp f da c h i e v e dt h ef u n c t i o na n di th a s e l i m i n a t e dd e a dz o n e ；c h a r g ep u m pi m p l e m e n t e dt h el o w - p o w e rd e s i g na n di t s c u r r e n tm a t c hw e l l t h ed i f f e r e n t i a lr i n go s c i l l a t o rh a sag o o da d j u s t i n gm a n n e ra n d a n t i n o i s ep e r f o r m a n c e t h el o o ps y s t e ma c h i e v e dag o o dl o c k i n gp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：p l lf r e q u e n c ys y n t h e s i z e r ；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 lo s c i l l a t o r i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i 第1 章绪论1 1 1课题背景1 1 2 国内外发展现状。1 1 3 选题的意义2 1 4 论文主要内容与结构。3 第2 章电荷泵锁相环原理5 2 1电荷泵锁相环的构成5 2 2 鉴频鉴相器( p f d ) 6 2 3电荷泵( c p ) 8 2 4 环路滤波器( l p f ) 9 2 5压控振荡器( v c o ) 1 1 2 6电荷泵锁相环的数学模型1 2 2 7 本章小结1 6 第3 章锁相环的噪声分析及处理1 7 3 1 基本噪声介绍1 7 3 2 相位噪声l8 3 3 抖动1 9 3 4 相位噪声和抖动的关系2 0 3 5 本设计中采用的降噪处理2 l 3 6 本章小结2 l 第4 章电荷泵锁相环的设计2 3 4 1 鉴频鉴相器设计2 3 4 1 1鉴频鉴相器的结构及非理想特性分析2 3 4 1 2 本文采取的鉴频鉴相器设计2 6 4 2 电荷泵设计2 8 4 2 1 基本电荷泵结构2 8 4 - 2 2 电荷泵的种类及分析2 9 4 2 3电荷泵的非理想效应3 0 4 2 4 优化前的电荷泵3 4 4 2 4 本课题的电荷泵的设计3 6 4 3 环路滤波器的设计3 8 4 4 压控振荡器电路设计3 9 4 4 1 振荡器原理3 9 4 4 2 环形振荡器设计原理4 1 4 4 3 优化前的压控振荡器4 8 4 4 4 本课题压控振荡器的设计4 8 4 5 本章小结5 2 第5 章系统仿真与结果分析5 3 北京工业大学工学硕士学位论文 5 1 鉴频鉴相器的仿真一5 3 5 2 电荷泵的仿真5 3 5 3v c o 的仿真波形。5 5 5 4 系统整体仿真一5 5 5 5 本章小结5 6 l 蕃论5 7 参考文献5 9 攻读学位期间发表的学术论文6 3 致谢。：6 5 i i 第1 章绪论 1 1课题背景 第1 章绪论 集成电路在过去3 0 年的发展几乎完全遵循m o o r e 定律，即集成电路的集成 度每隔1 8 个月就翻一番。集成电路的设计规模正由超大规模集成( v l s i ) 、甚大 规模集成( u l s i ) 向g 大规模( g s i ) 的方向发展【l 】。u l s i ，g s i 技术使集成电路面 积进一步减小，工作频率达到了空前的高度。集成度增加使越来越多的功能、甚 至是一个完整的系统能够集成到单个芯片之中，换句话说，以前需要由一块电路 板实现的系统，现在只需要一片集成电路就可以完成。集成电路技术的发展推动 电子系统设计从s o b ( s y s t e m o n - a - b o a r d ) 向着系统级( s y s t e m o n a - c h i p s o c ) 芯 片的方向发展。集成电路的设计复杂度随集成度的提高而大大提高，因此，传统 的设计方法已经不能满足性能高、成本低、面市时间短的要求。频率合成理论自 2 0 世纪3 0 年代提出以来，己取得了迅速的发展，逐渐形成了目前的4 种技术： 直接频率合成技术、锁相环频率合成技术、直接数字式频率合成技术和混合式频 率合成技术。锁相环式频率合成器是采用锁相环( p l l ) 进行频率合成的一种频率 合成器。它具有高频率、宽带、频谱质量好等优点。锁相环( p h a s e l o c k e dl o o p ： p l l ) 电路作为频率合成器己经成为当代微处理器必不可少的核心组成部件。由 于锁相环位于微处理器时钟树的最上端，因此其性能的优劣直接影响并决定了全 芯片的最高工作频率和稳定性【2 】。随着时钟频率的不断提高，微处理器的性能受 锁相环的影响越来越大，锁相环技术已经成为当代微处理器的核心技术之一。工 艺的发展和集成度的提高使系统时钟达到了g h z 的量级，苛刻的工作条件要求 高性能锁相环必须满足高稳定性和低功耗的要求。 电荷泵锁相环( c h a r g ep u m pp l l ，c p p l l ) 作为数模混合锁相环的典型代 表，以其不可替代的强大优势获得了格外的青睐。在理论上，它可以证明静态相 位误差为零，在实践中，它具有高速、低功耗、低抖动的特性，是设计实现锁相 环的一个简单、高效的方法。电荷泵锁相环一般用数字电路实现环路中的鉴频鉴 相器，模拟电路实现电荷泵，环路滤波器和压控振荡器等模块【3 】【4 】。它主要用于 频率合成，及时钟处理等领域，是目前应用最为广泛的一种锁相环，本文也正是 研究了用于频率合成器的电荷泵锁相环的设计。 1 2 国内外发展现状 目前主流锁相环还是用c m o s 工艺实现的，低廉的成本，使得它获得了很 好的商用。虽然c m o s 工艺本身的晶体管的截止频率不高，但是随着研究的深 北京工业大学工学硕士学位论文 入以及新结构的提出，深亚微米工艺特征尺寸的不断减小，使得c m o sp l l 的 工作频率越来越高，达到了数百兆乃至上g h z 的数量级【5 1 。对于集成p l l 芯片， 现在市场上的高性能产品主要集中在一些国际跨国i c 公司手中，其中的大多数 来自于欧美等国，例如国家半导体( n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r ) 、模拟器件( a n a l o g d e v i c e ) 、高通( q u a l c o m m ) 、安森美( o ns e m i c o n d u c t o r ) 等，其他的有日本的 富士通f u j i t s u ，韩国三星s a m s u n g 公司等等。美国国家半导体( n a t i o n s e m i c o n d u c t o r ) 于2 0 0 5 年1 1 月宣布推出的l m x 2 4 8 x 系列的高性能、低功耗 p l l a t i n u md e l t a - s i g m a 锁相环芯片，其工作频率范围覆盖5 0 m h z 至6 0 g h z ，适 用于无线基站及多种不同的射频系统，例如无线局域网( w l a n ) 、w i m a x 、正 交分频多路转换( o f d m ) 环路、测试及测量设备、卫星通信设备以及汽车电子 系统。美国模拟器件( a n a l o gd e v i c e ) 于2 0 0 4 年5 月宣布推出了一款频率上限 高、性能好的集成数字锁相环芯片a d f 4 1 0 6 ，它的最高工作频率达到6 0 g h z ， 只需再合理搭配上一、二块集成电路和少量的外围电路，即可构成一个完整的低 噪声、低功耗、高稳定度的可靠性很高的频率合成器，它主要应用于无线发射机 和接收机中，为上下变频提供本振信号。有3 0 多年的历史的卓联半导体( z a r l i n k s e m i c o n d u c t o r ) ，它的高性能模拟锁相环可应用于光学网络设备。芯片z l 3 0 4 6 1 满足o c 1 2 光学载波1 2 级的通信要求( 速率可以达到1 2 5 1 8 4 m b s = 6 2 2 m b i t s ) ， z l 3 0 4 1 4 可工作在光学载波第1 9 2 级线路速率的光学线路卡上。该公司芯片适用 于s d h s o n e t ( 同步数字体系同步光学网络) 边缘设备中的线路卡设计。富士通 ( f u j i t s u ) ，该公司的p l l 系列芯片产品m b l 5 0 1 主要在无线通信系统中，设计 频率合成器，用来产生本地振荡。该系列产品覆盖了很宽的频率带宽，从1 0 0 m h z 到6 g h z 。富士通用的是自己的b i c m o sr f 工艺，同时它也具有相关的其他产品， 如v c o ，r e s o n a t o r s 等。该公司的p l l 共有三类可以选择：s i n g l ei n t e g e rp l l ，d u a l i n t e g e rp l l l o wp o w e r ，以及d u a lp l l ( s c c t ) f a s tl o c k u p 6 1 。相比之下，我国 目前还存在一定差距。 1 3 选题的意义 高等院校作为科研前沿力量，不断引进锁相环领域的专家学者，如复旦大学、 东南大学、清华大学、北京大学等都设计出了p l l 芯片样片。华中科技大学在 此方面也做了深入的研究，东南大学射频与光电集成电路研究所，通过参与美国 m o s i s 计划，设计出了拥有自主知识产权、具有世界先进水平的集成电路芯片。 它们分别属于光纤传输系统中的复接器、激光驱动器、放大器、时钟恢复、数据 判决和分接器的核心芯片，形成了完整的系列。这批通过鉴定的1 1 种芯片也通 过了美国m o s i s 工程的全流程验证，速率达到了世界范围内0 2 5i imc m o s 工 艺的最高速率。 2 第1 章绪论 虽然使用分立器件实现锁相环的技术在本校内已经成熟，但是基于c m o s 集成电路设计的低频锁相环目前在本院内还无人实现，鉴于此前对锁相环设计的 一定积累，本课题的研究及设计弥补了此项空白。 1 4 论文主要内容与结构 论文组织结构基于系统设计的步骤。首先对整个锁相环系统进行了深入的理 论分析，再从实际的电路实现上进行了优化设计，给出了晶体管级的设计图。至 此，系统设计的步骤简单地走完。在实际设计过程中，每一步都是需要大量，反 复，精细的工作的。第二章为本课题所设计的电荷泵锁相环的理论指导部分，介 绍了锁相环的基本原理以及各模块的作用，并且给出了锁相环的数学模型。第三 章分析了影响锁相环性能的相位噪声及抖动理论，并且给出了降噪方法。第四章 为本文的电荷泵锁相环设计方案。在第四章中对电荷泵锁相环各模块的普遍设计 方案做了简单介绍后，以本课题所设计的电荷泵锁相环为例，按照鉴频鉴相器， 电荷泵，压控振荡器这三个核心电路的顺序分别给出了本文的设计及优化处理， 其中考虑了鉴相器的死区，压控振荡器的噪声，低功耗设计等诸多因素。第五章 为电路仿真及结果分析。结论部分对整个系统设计过程进行了经验性的总结，并 对该成果可能的发展进行了展望。 北京工业大学t 学硕士学位论文 4 第2 章电荷泵锁相环原理 ! i i ；i 曼i 皇! 皇曼曼曼曼鼍曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼量鼍曼曼置 第2 章电荷泵锁相环原理 锁相系统在本质上讲是一个闭环相位控制系统。简单的说，是一种能使锁相 环的输出时钟信号( 由振荡器生成) 在频率以及相位上与输入参考时钟信号同步 的电路，即系统进入锁定状态( 或同步状态) 后，锁相环输出的时钟与输入参考时 钟之间相位差为零，或者保持为常数，而频率则完全相等【9 j 。如果输出信号和参 考信号的相差增加，环路自身的控制机制就会作用于振荡器，使相差又会变为最 小。在这样的控制作用下，输出信号的相位实际上锁定在了参考信号的相位上。 这也是所谓“锁相环”的由来。正是由于锁相环电路具有此独特的优良性能，能 满足高速数据处理对系统时钟生成与分配的严格要求i l o 】，因而它是高速处理器 时钟产生电路的较好选择 电荷泵锁相环( c p p l l c h a r g e p u m pp h a s e l o c k e dl o o p s ) 属于数模混合锁相 环，电荷泵锁相环具有快速鉴频、捕获频率范围广、零锁定相位误差、高速、低 功耗等优点，是比较流行的锁相环实现方式l l 。 2 1电荷泵锁相环的构成 图2 1 是电荷泵锁相环( c p p l l ) 的基本组成框图，主要由4 个部分组成： 鉴频鉴相器( p f d ) 、电荷泵( c p ) 、低通滤波器( l p f ) 和压控振荡器( v c o ) 。 图2 1 电荷泵锁相环基本框架图 f i g 2 1b a s i cc p p l lf r a m e w o r k 电荷泵锁相环能检测输入和输出的跳变，检测相位差或频率差，并相应地启 动电荷泵。当环路开始工作时，( - 0 0 埘可能离很远，p f d 和电荷泵改变控制电 压，使( ) o z a 逼近。当输入和输出频率足够近时，p f d 就被当作鉴相器，进行 相位锁定。当相位差降到零并且电荷泵保持相对的空闲时，环路就锁定了。 鉴频鉴相器检测参考时钟信号和压控振荡器输出时钟信号间的相频差，并产 生一个上升或下降脉冲信号输出给电荷泵，对电荷泵电容进行充放电；低通滤波 北京工业大学下学硕十学位论文 器限制电容上的电荷变化以此来稳定锁相环；低通滤波器的输出是压控振荡器的 控制电压，压控振荡器根据控制电压来改变其输出频率【1 2 l 。由此，整个系统形 成了一个反馈系统，压控振荡器的输出频率最终锁定在参考频率。 电荷泵锁相环在本质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l i 引。为了使频率合成器能稳定地工作，电荷泵锁相 环被设计成窄带锁相环，通常使环路带宽小于参考信号频率的十分之一，这样电 荷泵锁相环的环路带宽受限于参考信号频率。 2 2 鉴频鉴相器( p f d ) p f d 既能检测相位差也可检测频率差。 a b a 厂 厂 厂 厂 b 厂 厂 r 厂 q l f 111f 1 q 2 c a ) q q 2 a 厂 厂 厂 厂 厂 b 厂 r 厂 厂 q i q 2 图2 - 2 p f d 工作原理图 f i g 2 - 2p f d s c h e m a t i c 如图2 2 所示，电路使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) 。如果在初始状态下，g = q = 0 ，那么在a 上的上升变化会使 q = 1 ，q = 0 。电路保持这个状态一直保持到b 变为高电平，此时q 变为0 。对 于b 输入的情况与之相似。 在图2 - 2 ( a ) 中，两个输入频率相等，但是a 相位领先于b 。输出q 不断 产生宽度与九一九成正比的脉冲，而q 2 保持为零。这就是鉴相。 在2 2 ( b ) 中，a 的频率比b 的频率高，所以g 有脉冲输出而q 2 没有输出。 根据对称性，如果a 相位滞后于b 或a 的频率比b 的小，那么q 2 有脉冲输出而 q 没有。因此，q i 和q 2 的直流成分包括了吼一或九一九的相关信息1 4 1 。所以， 第2 章电荷泵锁相环原理 场和场的输出脉冲分别被称为“向上 和“向下 脉冲。 图2 2 所示电路有多种实现形式，图2 3 是一个简单的实现电路，是由两个 d 触发器和一个与门组成，输出u p 和d o w n 两个信号驱动电荷泵电路。a 表示 参考信号，b 表示输出信号。如果开始a 和b 都是低电平，当a 先变为高电平 时，u p 端输出高电平，等到b 变为高电平时，d o w n 端输出高电平，此时u p 和 d o w n 同时是高电平，因而产生复位脉冲使两个d 触发器复位，使u p 和d o w n 同 时变为低电平。若b 先变为高电平，则情况与a 先变为高电平时类似【i 卯。需要 注意的是图2 3 中d o w n 的窄复位脉冲的存在是由于实际电路中门延时引起的而 不是理想的始终保持低电平。 1 巾d ar 厂 厂 n 厂 b _ 八八一几几厂 u p 口口口口口 d 鬯! ili1：l y d d 图2 - 3p f d 电路的实现及波形图 f i g 2 3p f d c i r c u i ta n dw a v e f o r m s 由前面的分析可知u p 和d o w n 信号只可能有三个状态，即0 0 、1 0 、0 1 ，而 当u p 和d o w n 是同为1 时，则立即变为o o 。再根据p f d 的输出信号u p 、d o w n 它们对电荷泵工作状态的影响【1 6 】，可以认为p f d 有如下三种工作状态： 充电状态，u p = l ，d o w n ：0 放电状态，u p i = o ，d o w n = 1 保持状态，u p = o ，d o w n = o 图2 _ 4 为三态p f d 的输入输出特性，当。且忽略窄复位脉冲影响时， 定义输出为q l 平均值与q 平均值之差，当l i 从零开始变化时，输出对称的变 化，对于= 3 6 0 ，达到其最大值和最小值并随之改变符号。 7 北京工业大学工学硕七学位论文 石。 一3 6 0 1 1 陟b + 3 6 0 - 图2 4 三态p f d 的输入输出特性 f i g 2 - 4i n p u t - o u t p u tc h a r a c t e r i s t i co ft h r e e s t a t ep f d 2 3 电荷泵( c p ) 电荷泵的基本结构如图2 5 中间的部分所示，它是由两个带开关的电流源组 成。两个开关的控制信号是由p f d 的两个输出u p 和d o w n 控制1 7 1 ，电荷泵的输 出接到环路滤波器的输入端。因此鉴频鉴相器的输出信号控制电荷泵对环路滤波 器进行充放电。 图2 5 基本的电荷泵结构 f i g 2 - 5s t r u c t u r eo ft h eb a s i cc h a r g ep u m p 其工作过程如下：当p f d 输出电压信号u p 为高，d o w n 为低时，开关s 1 闭 合，s 2 断开，电荷泵上面通路导通，下面通路关断，电荷泵将以电流1 1 对l p f 进行充电；当鉴频鉴相器输出信号u p 为低，d o w n 为高时，开关s 1 断开，s 2 闭 合，电荷泵下面通路导通，上面通路关断，电荷泵以电流1 2 对滤波器进行放电。 当u p 和d o w n 信号都为低时，两个开关均断开，因此电荷泵输出处于高阻态， 没有对环路滤波器进行充放电，此时环路滤波器电压保持不变。而当u p 和d o w n 第2 章电荷泵锁相环原理 信号同为高时，两个开关均导通，将形成从电源到地的通路【l 引。若电流源1 1 与 1 2 相同的话，流过s 1 电流将从s 2 流出，流入环路滤波器的电流也将为o ，因此 没有对环路滤波器进行充放电，环路滤波器电压保持不变【1 9 1 。鉴频鉴相器的输 出信号u p 和d o w n 信号保持高电平的时间差主要取决于上一节中分析的p f d 两 输入信号的相位差，因此，相位差就决定了电荷泵对环路滤波器的充放电时间。 2 4 环路滤波器( l p f ) 鉴相器的输出包含直流分量和高频分量，为了得到直流分量，也即稳定的振 荡器输入控制电压，需要一个低通滤波器对其滤波。该低通滤波器改变了锁相环 传递函数的带宽、衰减因子等参数，对环路性能有极大的影响。因为它除了有低 通滤波作用外，还可以校正环路的动态性能，同环路的捕捉、稳定、环路带宽和 对噪声抑制都有关系，在设计中是一个最为灵活的部件，同时也是一个很关键的 部件。低通滤波器的设计决定了整个锁相环的工作特性，不同形式滤波器的锁相 环有着不同的跟踪特性【2 0 j 。 环路滤波器可分成有源和无源滤波器，根据其线性模型中所提供的极点个数 分为一阶或多阶。各种滤波器具有不同的优缺点：有源滤波器的增益可以有效控 制，并且精度高，但是成本高，功耗大，不适用于高频滤波1 2 。而对于无源滤 波器，因为是集成电路，所以电阻和电容值不能较精确的控制，误差很大，并且， 放大倍数小，不容易调节前向传递函数的增益，而增益是锁相环的重要参数( 稳 定性、响应速度) ，但无缘滤波器具有结构简单，所占的硅片面积小，成本低的 优势。通常情况下电路在满足要求的情况下，一般使用结构简单的无源滤波器。 由锁相环的线性模型可知，鉴频鉴相器不提供极点而压控振荡器有一个极点，所 以锁相环的阶数比低通滤波器的阶数多一瞄】。当滤波器的阶数高于三阶时，锁 相环路的稳定性将是一个需要考虑的问题，所以若整个环路选择二阶特性，环路 滤波器就要选择一阶的r c 滤波器。但在实际的电路中，为了滤除相位锁定状态 时的尖脉冲，往往有一个电容直接接在电流输出和地之间。这样就增加了一阶， 而形成一个二阶滤波器，整个环路也变为三阶锁相环路u 引。 锁相环路使用的滤波器主要有以下三种： ( 1 ) r c 积分滤波器 如图2 - 6 所示。这是最简单的低通滤波器，其传输函数是1 + s t ，其 f ( s ) = 二 中f = r c 是时间常数。 9 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 二阶无源滤波器 图2 - 6r c 积分滤波器 f i g 2 - 6r ci n t e g r a lf i l t e r 如图2 7 所示。其传输函数是f ( j ) 2 再i s z 而x + 1，其中一：墨c ，吃：恐c如图2 7 所示。其传输函数是1 十s l f l 2 j ，其中l 2 q l ，2 一屯乙 ( 3 ) 有源滤波器 图2 7 二阶无源滤波器 f i g 2 - 7s e c o n d o r d e rf i l t e r 如图2 - 8 所示它的传输函数是f ( d2 等，其中：崛乞：足c如图所示它的传输函数是 盯- ，其中7 t2 乙，7 22 屹l 第2 章电荷泵锁相环原理 2 5 压控振荡器( v c o ) v c o 主要两种常用的结构：l c 结构，r i n g ( 环形) 结构。其中通常情况下 l c 结构的v c o 振荡频率非常高，可以达到几个g h z ，因此在射频集成电路中 应用广泛，该结构最大的优点之一就是可以获得非常好的相位噪声特性，然而目 前主流的c m o s 工艺对制造高q 值的电感比较困难，而且往往不能提供精确的 电感模型【2 3 ；r i n g 结构( 环形振荡器) 的v c o 是现在使用非常普遍的一种结构， 其振荡频率比较高，可以分为单端( s i n g l e e n d ) 和差分( d i e f f r e n t i a l e n d ) 两种类型， 由于r i n g 结构的v c o 不使用电感，所以和c m o s 工艺兼容性非常好，同时差 分结构的r i n g v c o 相对于单端的r i n g v c o 由于对共模噪声抑制能力很强，可 以获得较好的相位噪声特性【2 4 j 。 一个理想的压控振荡器产生一个周期信号，其频率是压控电压7 娴t 的线性函 数：2 + k 脚，其中表示对于= 0 时的截距，而k 脚表示电路的 “增益 频率可以达到一q 的调节范围。如图2 - 9 所示： ，= 吼。 v c o 够删 吼 q k 图2 - 9 压控振荡器的定义 f i g 。2 9d e f i n i t i o no fv c o 对于一个正弦v c o ，其可以表示成： “( f ) = 4 c 。s ( f + ，d r ) ( 2 - 1 ) 北泵。i 业大学工学硕士学位论文 在实际的电路中尺石是受控制电压影响的，且随着k 南绝对值的升高 最终减小至l j 0 。若( f ) ：啊s 嘶。有”( t ) = a c o s ( 咐等圪s i i l 蚋，其中 墨盟 随着增加，减小，使得v c o 自然的抑制输人控制电压中的高频成分瞄】。 在锁相环的分析中，我们把v c o 看作输入和输出分别为控制电压和剩余相 位的系统： 丸= j 衍即，v c o 的工作就像一个理想的积分器，给出的传输函数 为： 芒粤 协2 ， 2 6电荷泵锁相环的数学模型 为了定量分析电荷泵锁相环的特点，我们必须给p f d c p l p f 组成的整体建 立一个线性模型，从而得到其传输函数【2 5 1 。图2 1 0 为带电荷泵的p f d 电路。为 了测试p f d c p l p f 组合是否是一个线性系统，做以下验证：将相位差变为原来 的两倍，我们可以从图2 1 1 中观察到7 叫的平坦部门变成了两倍，但斜坡部分斜 率不变。这是因为对l ，充放电的电流是恒定的，导致了斜坡的斜率是个常数【2 6 1 。 所以，严格地讲，系统不是线性的。为了便于分析，用一个斜坡来近似输出波形 ( 图2 1 2 ) ，使y 耐与妒之间成为线性关系。 1 2 第2 章电荷泵锁相环原理 b 图2 1 0 带电荷泵的p f d 电路 f i g 2 一l0p f d w i t hc h a r g ep u m pc i r c u i t b i ，一 tt 图2 - 11p f d c p l p f 系统的线性度测试 f i g 2 1 1l i n e a r i t yt e s t so f p f d c p l p fs y s t e m 士 图2 1 2p f d c p l p f 系统输出响应的斜坡近似 f i g 。2 1 2o u t p u tr e s p o n s eo f p f d | c p l p fs y s t e m 假定输入信号周期为瓦，而电荷泵对q 的充放电电流为。如图2 1 3 所 示，开始的相位差为零，在t - - - - 0 时，b 的相位阶跃了九，a pa = 死甜( n ，则p f d 在u p 端产生宽度为唬瓦2 万秒的脉冲【2 8 】，每个周期使输出电压增加 1 3 a b 一 北京工业大学工学硕七学位论文 ( q ) 死瓦2 万。用斜坡近似，则表现出的斜率为( 厶q ) 丸2 石，并可表示 为： 2 去咖 ( 2 - 3 ) 因此p f d c p l p f 系统的冲激响应为 砸) 2 刍砸) ( 2 - 4 ) 厂 厂 厂 厂 厂 厂 b 广 厂 j 曰厂 厂 厂 q ， n几几n ，_ 了，历反品二，折 图2 1 3p f d c p l p f 系统的阶跃响应 f i g 2 13s t e pr e s p o n s eo f p f d c p l p fs y s t e m 产生的传输函数为 和2 去协5 ， 上式极为p f d c p l p f 组合系统的数学表达式，且系统在原点有一极点冽。 电荷泵锁相环的线性模型如图2 1 4 所示，模型给出的开环传输函数为 g 2 哿。老争协6 ， 1 4 第2 章电荷泵锁相环原理 p f d l 习p l p l r v c 0 广一一一一一一一一1 图2 - 1 4 伺单电衙泵锁相环线性模型 f i g 2 - 1 4s i m p l ec h a r g ep u m pp l l l i n e a rm o d e l 用h ( s ) 表示其闭环传输函数，得到下式： i p k 旧o h ( s ) = 蕊2 7 r c e s 2 + 生兰塑盟 2 蚂 ( 2 7 ) 从开环传输函数可得，系统在原点处有个二阶极点，相当于两个理想积分器， 每个积分器贡献万2 的相移，环路的总相移万，导致系统在lg ( ) = 1i 频率处产 生振荡，如图2 1 5 ( a ) 所示。 1 0 0 ) l l 顶；) i 图2 1 5 二阶电荷泵型锁相环开环传输函数的幅频和相频响应 f i g 2 1 5a m p l i t u d ea n dp h a s er e s p o n s eo f o p e n - l o o pp l l 因此，为了系统稳定，必须修改环路滤波器，增加额外的极点和零点。图 2 1 6 为几种锁相环中常用的滤波器【3 们。以其中( b ) 为例，这时环路滤波器的传 北京工业大学工学硕十学位论文 输函数为f ( s ) = r p + i 0 c p ) ，因此，采用这种滤波器的电荷泵锁相环的开环传 输函数为 g = 去c 彤+ 专争沼8 ， 其包含一个零点和两个极点，它的b o d e 图如图2 1 5 ( b ) 所示，取合适的 零点位置，既可保证系统的稳定。它的闭环传输函数为： - 吻 = q 2 7 本章小结 ，了l e 舭k v c p o ( r e c e s + 1 ) h ( s ) = 1 丛丛1 二一 s 2 + 丢邱j + 焘 其包含一个零点墨= 一i ( r e c p ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) v v v o ( 3 1 ) 其中k = 1 3 8 x 1 0 屹3 ，k 是波尔兹曼常数。 r 图3 - 1 电阻的热噪声 f i g 3 1r e s i s t a n c et h e r m a ln o i s e 而m o s 晶体管最大的噪声源是在沟道中产生的【3 5 l 。对于工作在饱和区的长 1 7 。 北京工业大学工学硕十学位论文 沟道m o s 器件的够到噪声可以用一个连接在漏源两端的电流源来模拟，如图3 2 所示，其谱密度为： l ：= 4 k t y g , , ( 3 - 2 ) 式中的系数7 ：对于长沟道晶体管其为2 3 ：而对于亚微米m o s 晶体管其需 要取更大的值。 = 4 k t y g _ 图3 2m o s f e t 的热噪声 f i g 3 - 2m o s f e t t h e r m a ln o i s e m o s 管中另外一个重要的噪声源是闪烁噪声( f l i c k e rn o i s e ) 。在栅氧化层和 硅衬底的界面出现许多悬挂键，当电荷载流子运动到这个界面时，有一些被随机 的捕获，随后又被释放，结果在漏