（微电子学与固体电子学专业论文）宽带pll中的低噪声低杂散pfdcp设计.pdf

摘要 摘要 数字电视正进入千家万户，我国数字电视调谐器自主知识产权有着相当的重大意义。前端调谐 专用芯片的开发及产品的产业化成为发展趋势。现在的数字调谐芯片集成了频率锁相环p l l ( p h a s e l o c kl o o p ) 电路，集成锁相环电路将使得电视信号频率与电视台发送的频率严格一致，接收效果好。 本文在数字调谐器产业化项目基础上，给出了应用于宽带的锁相环中低抖动和低杂散鉴频鉴相器和 电荷泵的设计，同时分析其对于锁相环路的影响，从而在环路基础上对鉴频鉴相器和电荷泵设计进行 指导 鉴频鉴相器( p f d c p ) 作为锁相环链路层上的关键部件，其对于环路整体影响是巨大的，其中 主要是噪声与杂散性能极为重要，这是本文的关键点。文章从p f d c p 的结构发展及工作原理出发， 分析了有关p f d c p 各种不同结构电路的优缺点及原理上的差异，主要讨论了p f d c p 对于环路的影 响，给出了一系列影响环路的模型，从电流失配模型到环路杂散模型，从环路的噪声模型到具体的 p f d c p 的噪声模型，这些模型也很好的说明了一个低噪声、低杂散的p f d c p 的设计要点。同时， 本文结合p l l 环路对于p f d c p 的性能要求，设计了这一低噪声、低抖动p f d c p 的电路，阐述了电 路结构和各种晶体管的尺寸参数，给出了一种基于s c l 结构的高精度全差分型p f d 和基于普通型电 荷泵电路的带有大摆幅电流镜的全差分型电荷泵。版图设计作为模拟电路设计的重要一环也是文章 阐述的一个要点，文章结合本次的电路设计给出了一些模拟电路版图的布局方式等的设计要点，特 别是晶体管的对称性设计是关乎到如何减小c p 电流失配的关键因素之一。 最后，文章给出了基于c h a r t e r e d0 2 5 9 m r f c m o s 工艺库的仿真及实际芯片的测试，验证了给 出的各种模型。实际的测试结果表明，其电流失配小于0 6 ，基频偏移的杂散小于一7 5 d b c ，电流噪 声也小于一1 4 0 r a d 2 h z ，所以，本文的设计是完全符合p l l 环路对于p f d c p 的低噪声、低杂散设计 性能要求的。 关键词：鉴频鉴相器、电荷泵、低噪声低杂散、锁相环、环路影响模型 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed i g i t a l i vi sm o r ea n dm o r ep o p u l a rt oc h i n e s ep e o p l e s oi ti so fg r e a ti m p o r t a n c et ot h e s e l f - i n t e l l e c t i v ep a t e n ti nt h ed i g i t a lt vt o u e ro fo u rc o u n u y t h ed e v e l o p m e n to ft h ef r o n b e n dt u n e rc h i p h a sb e e na l s ot h eg r o w i n gt r e n d n o w a d a y st h ef r e q u e n c yp h a s el o c kl o o pi si n t e g r a t e di nt h et a l l e rc h i p , w h i c hg e t st h et vs i g n a lf r e q u e n c ya n dt h es e n df r e q u e n c yo f t h et vs t a t i o nb et h es a m ea n da l s oa c h i e v e s ag o o dr e s u l t t h i sp a p e r , b a s e d0 1 1t h ei n d u s t r i a l i z a t i o no f t h et t m e rc h i p ，p r e s e n t st h el o wn o i s e ，l o ws p u r p f d c pi nt h ew i d e b a n dp l la n da n a l y s e st h ea f f e c tt ot h el o o pf r o mp f d c p , w h i c hg i v e ss o m eg u i d a n c e t ot h ep f d c pd e s i g n a sa ni m p o r t a n tp a r ti nt h em a i nr o u t eo fp h a s el o c k e dl o o p ，c h a r g ep u m pw o u l db eo fg r e a t i m p o r t a n c e w h i l ei t sp e r f o r m a n c eh a st h ep r i m a r yd e t e r m i n a t i o nt ot h ep l l t h en o i s ea n ds p u r p e r f o r m a n c ew o u l db ee x t r e m e l yf o c u s e do n w h i c hi sa l s ot h ek e yp o i n to f t h ep a p e r b e g i n n i n g 血t h e d e v e l o p m e n to f t h ep f d c ps t r u c t u r ea n di t sw o r kp r i n c i p l e ，t h ep a p e rd e s c r i b e st h ep r o sa n dc o n so f e v e r y s t r u c t u r ea n dt h ed i f f e r e n c eo f t h ep r i n c i p l e f o l l o w e dt h a t ，t h ei m p a c to f t h ep f d c pt ot h el o o pw o u l db e m e n t i o n e da n dt h ei m p a c tm o d e lw a u l db es t a t e d , j u s th i c l u d i n gt h ec u r r e n tm i s m a t c hm o d e l t h el o o ps p u r m o d e l ，t h e1 0 叩n o i s em o d e la n dt h ep f d c pn o i s em o d e l ，w h i c hg i v e st h ek e yp o i n to ft h ed e s i g no ft h e l o wn o i s e ，l o ws p u rp f d c pa sw e l l m e a n w h i l ec o m b i n e dw i t ht h ed e m a n do ft h el o o pt op f d c p , t h e p a p e rm a i n l yd e s c r i b e st h ed e s i g n i n go f t h es t r u c t u r eo f t h ep f d c pu s e di nt h i sc h i pa n dt h es i z eo f e v e r y t r a n s i s t o r , a n da l s og i v e st h ed e s i g nt h o u g h to f ad i f f e r e n t a lt y p ep h a s ef r e q u e n c yd e t e c t o ro f s c ls t r u c t u r e a n daw h o l ed i f f e r o n t 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 tm i r r o ra n das y m m e t r i cc h a r g e p u m pp a i r t h el a y o u t ，c o n s i d e r e da st h ev i t a ls t e pi nt h ea n a l o gc i r c u i td e s i g n ，i sa l s ot h ek e y s t o n eo f t h i s p a p e i t h el a y o u tm e t h o do f t h ea n a l o gc i r c u i ti sp r e s e n t e d ，e s p e c i a l l yr e f e r r i n gt h es y m m e t r i c a ld e s i g no f t h et r a n s i s t o r sw h i c hc o m e sd o w nt op e r f o r m a n c eo f t h ec u r r e n tm i s m a t c h f i n a l l y , t h ep a p e rs t r e s s e st h es i m u l a t i o nb ys p e c t r ew i t ht h ec h a r t e r e do 2 5 1 u nr f c m o st e c h n o l o g y a n dt h em e a s u r e m e n to ft h et u n e rc h i pw h i c ha l s ov a l i d at h em o d e ls t a t e db e f o r e t h em e a s u r i n gr e s u l t i n d i c a t e st h a tt h ec u r r e n tm i s m a t c hi sb e l o w0 6 ，t h es p u ro ft h eb a n df r e q u e n c yo f f s e ti sb e l o w - 7 5 d b c ， a n dt h ec u r r e n tn o i s ei sb e l o w - 1 4 0 r a d z h z i nc o n c l u s i o n ，t h i sd e s i g nw o u l db eo fg o o dn o i s ea n ds p u r p e r f o r m a n c e 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 ) 、l o wn o i s ea n dl o ws p u r 、p l l ( p h a s el o c k e dl o o p ) 、l o o pi m p a c tm o d e l 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：巨连 日期： 1 2 ：至：! i研究生签名：f 圣经 日期： 1 2 ：垒：12 j 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。 躲蹲一名：牲日期一， 第一章引言 1 1 锁相环的应用及发展 第1 章引言 在2 0 世纪的后三十年中，集成电路取得了飞速的发展。这一发展使得单芯片系统成为可能，越 来越多复杂的系统都逐渐集成到单个芯片上，并逐步推向消费市场。 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。 在数字调谐技术当中，锁相环p u 。( 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。频率合成器在通信系统中可以用来提供本振，也可以提供时钟信号。 频率合成器的性能与成本直接影响着它所应用的产品的价格及功能，所以，世界范围内越来越 多的研究者们开始努力研究p l l ，以达到低成本、高性能。 1 1 1 数字电视接收系统概述 数字电视( d t v ) ，特别是高清晰度电视( h d t v ) ，是电视接收系统的发展潮流，整个系统从 头到尾都是h d t v 节目，这项新技术的出现，产生了新的商业契机“。现在h d t v 的商用范围之广 简直令人惊叹，从n a s a 到影视的后期制作再到医用成像，电视接收技术是数字革命中的关键角色。 有线电视广播的工作频率范围覆盖v h f 和u h f 两个频段，约8 0 0 m h z 的频率范围。射频调谐 器的设计除了要满足宽的工作频率，还需要满足很多其他指标要求，如：抗干扰能力，动态范围， 灵敏度，镜像抑制，成本等。而这些指标和所选择的射频调谐器的架构相关。目前调谐器的主要结 构可以分为四种”，分别为：i 单次变频架构、2 双变频架构、3 直接变频架构，4 双变频转 零中频架构。 传统的电视调谐器及目前大多数电视调谐器，包括有线和地面，都采用单次变频架构。如图i - 1 所示，其工作原理就是将频率从5 0 m 8 6 0 m 的射频信号经过单次变频降为3 6 m h z 或4 4 m h z ，然后 经过滤波器滤波后送入解调端。此架构的优点在于能够将宽的信号频带分割成2 至3 个频带分别设计， 相关电路对元件的选择比较宽松，并且成本比较低，因此单次变频架构仍然是目前大多数厂商在设 计射频调谐器时所采用的架构。本调谐器设计时也采用此架构。 图卜1 单变频数字电视调谐器系统结构 单次变频接收机先经过一高通滤波器，将频率低于5 0 m 的低频干扰信号全部滤除。低噪声放大 器( l n a ) 的合理设计，能够有效的降低接收机系统的噪声系数，同时贡献一部分增益。电视频道 的选择由系统中两级可调谐的带通滤波器( b p f ) 实现。由于数字电视频道从5 0 m 到8 6 0 m 间隔分 布，带宽为8 m ，因此要求两级具有跟踪功能的带通滤波器，即其中心频率能够根据调谐电压的变化 而变化。单变频接收机的主要缺点是混频器的镜像频率抑制问题，因此如果在低成本的情况下，提 高接收机的镜像抑制，必须要求混频器前面的两级带通滤波器具有镜像抑制功能。两级带镜像抑制 的跟踪滤波器之间，为了提高系统的噪声系数和增益，加入一级自动增益控制( a g c l ) 放大器，该 放大器一般选择双栅高增益放大器。经过跟踪滤波器之后的信号经过混频器( m i x e r ) ，实现频率变 换，将射频电视信号转变为电视中频信号( 3 6 m ) 。为了有效的滤除其谐波、互调及其他干扰信号， 需要在混频器之后加入一个声表面滤波器( s a w ) ，该滤波器保证中频信号为3 6 m ，带宽为8 m 。 射频接收机的主要增益是由到达中频之后的放大器( a g c 2 ) 实现，应此声表之后的自动增益放大器 。胗 。固 国工 。多。眵骖 。陟 东南大学硕士学位论文 具有高增益，高线性特性。本课题主要是设计和实现电视接收机从有线电视电缆至混频器之间的所 有模块，包括一高通滤波器、l n a 、两级带镜像抑制功能的跟踪滤波器及低噪声自动增益放大器a 1 1 2 锁相环概述 简单的整数分频p l l 结构如图1 - 2 所示。这种结构是目前最为常见的结构，其外部结构简单并 容易应用，同时可靠性高，通常所占芯片面积比较少。图1 _ 2 所示的结构包括一个压控振荡器( v c o ) ， 一个分频比为n 的可编程主分频器( m a i nd 1 v ) ，一个由鉴频鉴相器和电荷泵组成的p f d c p 及一 个环路滤波器( l p f ) 。除此之外还包含有一个晶体振荡器( x t a l ) 和一个分频比为r 的参考分频 器( r e f d i v ) 。当环路锁定时，由主分频器输出的f d i v 信号的相位应该会精确跟踪由参考分频器输 出的f i e f 信号。所以最终的输出信号频率可以表示为： = 岛= 争 “1 ) 图1 - 2 常见p l l 结构图 o u t 1 2 论题的提出 随着数字电视技术日趋成熟，取得了令人鼓舞的成果。数字电视具有十分广阔的市场前景，各 国也在大力推动数字电视的普及。虽然目前，中国数字电视产业方兴未艾，但是发展前景看好，预 计2 0 1 0 年中国的数字电视接收机市场规模将达到2 0 5 0 万台。2 0 1 5 年全国将停止模拟广播电视的播 出，目前南京正在大力推广模拟电视向数字电视的转换工作。因此国家信产部确立了h d t v 调谐器 专用芯片及产品产业化专项，这对推动我国数字电视调谐器自主知识产权有着相当的重大意义。前 端调谐专用芯片的开发及产品的产业化也成为发展趋势。 然而，我国消费电子行业总量虽大，但结构不尽合理，尤其核心技术( 如相关的集成电路设计) 掌握在国外企业手中。从数字电视的终端接收方面来讲，有许多与传输标准关系不是太密切却十分 重要的关键技术，如射频信号的接收与转换、条件接收及高清晰显示屏( 目前主流为) 等等。这些 关键技术除了要制定相关标准外，更重要的是要通过自主知识产权的硬件来实现，如信号的接收主 要靠调谐器。为了避免巨大的数字电视市场被国外产品垄断，国家最近一直在推进数字电视调谐器 专用芯片及产品产业化，这对推动我国数字电视相关核心技术的自主知识产权具有相当重大的意义。 集成p l l 频率综合器的发展趋势是小尺寸，全集成、高性能、低功耗，完全是一个典型的混合信号 s o c ，其发展方向正反映了集成电路的发展方向。由于p l l 频率综合器的应用广泛，它的发展也将 是多样化，为了适应不同的系统应用和市场需求，p l l 频率综合器仍将不断改进。如果说r f i c 还 是个刚刚兴起的技术，那么i 沛的集成p l l 频率综合器的发展前景也同样相当广阔。 本文在数字调谐器产业化项目基础上，给出了应用于高速、低噪声、低杂散和低成本的电荷泵 锁相环中的鉴频鉴相器( p f d ) 和电荷泵( c p ) 的设计。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，由于死区( d e a d z o n e ) 的存在， 其振荡频率就会在一定范围内振荡，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。这些严重的非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 致相位噪声等重要参数不能达到整个系统的要求。文章从p f d c p 的结构发展及工作原理出发，分析 了有关p f d c p 各种不同结构电路的优缺点及原理上的差异，讨论了p f d c p 对于环路的影响，给出 了一系列影响环路的模型。同时，文章结合p l l 环路对于p f d c p 的性能要求，设计了这一低噪声、 2 第一章引言 低抖动p f d c p 的电路，阐述了电路结构和各种晶体管的尺寸参数，给出了一种基于s c l 结构的高 精度全差分型p f d 和基于普通型电荷泵电路的带有大摆幅电流镜的全差分型电荷泵。版图设计作为 模拟电路设计的重要一环也是文章阐述的一个要点，文章结合本次的电路设计给出了一些模拟电路 版图的布局方式等的设计要点，特别是晶体管的对称性设计是关乎到如何减小c p 电流失配的关键 因素之一。最后，文章给出了基于c h a r t e r e do ，2 5 0 m r f c m o s 工艺库的仿真及实际芯片的测试，验 证了给出的各种模型。 1 3 论文的结构 本文在第二章中，在前人基础上主要总结了鉴频鉴相器( p f d ) 和电荷泵( c p ) 的常用结构组 成，分析这些结构性能的优劣，同时最终选定本文设计的主要结构。第三章，主要介绍鉴频鉴相器 ( p f d ) 和电荷泵( c p ) 的主要性能指标，同时重点介绍非理想特性对于整个环路的影响，给出各 种影响的基本模型，作为本设计的依据。第四章给出了本文的低噪声、低杂散鉴频鉴相器p f d 和电 荷泵c p 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。第五章给出模拟电路设计中 版图制作的要点，同时更重要的是给出本文电路的版图设计。第六章基于c h a r t e r e d 0 2 5 1 t m r f c m o s 工艺库对p f d 及c p 的各项性能指标作出详细的分析和仿真及测试验证，并对芯片完成了功能的测 试验证。结束语部分总结了本文各项的研究工作，并给出进一步的展望。 3 东南大学硕士学位论文 第2 章鉴频鉴相器和电荷泵的发展概述 众所周知，模拟式调谐器在选台时要经过一个频率微调电路进行频率的微调，这会导致频率搜 索不准，从而影响电视接收效果。而数字调谐芯片集成了频率锁相环p l l ( p h a s el o c k e dl o o p ) 电路， 集成锁相环电路将使得电视信号频率与电视台发送的频率严格一致，接收效果好。鉴频鉴相器作为 锁相环p l l 电路的关键部件决定着其精度和稳定性，而电荷泵在锁相环p l l 电路中的应用使其有着 无限的频率捕捉范围。 p l l ( p h a s el o c k e dl o o p ) 锁相环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 ) 比较参考频率信号和压控振荡器经过分 频后的信号的相位差，电荷泵取出与这两个信号的相位误差成正比的电压作为误差电压来控制压控 振荡器v c o 的频率，以达到调节与输入信号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差别，并将这种差别转换 为电压信号输出到电荷泵。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 调节压控振荡器( v c o ) 的控制电压，调节其振荡频率。其中鉴频鉴相器的输入信号分别为参考频 率输入信号k 和压控振荡器输出经分频后的信号。 2 1p f d 及其结构 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，它主要将系统输入信 号与内部的反馈信号之间频率和相位的比较。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。 理想的p f d 框架示意图如图2 - 1 ( a ) 所示。p f d 的工作原理类似于差动放大器，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 o 吐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 。= k p d ( 西l - - 0 2 ) = k d a o 。v 。和a o 之间的关系是直线的，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。 牖 疆0 。 q 0 一 l 图2 - 1 ( a ) 理想的p f i ) 框架示意图( b ) 理想的p f d 的特性曲线 下面主要介绍p f d 的主要结构： 1 预充电式p f d 预充电式n cp f d ( 反相器延时p f d ) ( 1 9 9 8 年提出) 如图2 - 2 ( a ) 所示h 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，以便去掉相位曲线在n 相差周围的死区。 优点是结构简单，无死区，属于高速的p f d ：缺点是精确范围不高( ) ，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 ( 逻辑门延时p f d ) ( 1 9 9 5 年提出) 如图2 2 ( 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，延迟路径为三个逻辑门深度。优点是结 构简单，属于高速的p f d ；缺点是精确范围不高( 士) ，有死区存在。 4 第二章鉴频鉴相器和电荷泵的发展概述 ( a )( b ) 图2 - 2 ( a ) n cp f d 电路图及其特性曲线( b ) p tp f d 电路图及其特性曲线 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 3 ( a ) 所示 6 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 ，t ，+ 2 ) 。缺点是门延迟较大，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下会有很大的功耗和较低的工作速度；在稳定状态下p f d 的 特性曲线存在很大的“死区”，这样会造成整个p l l 环路大的抖动，严重时会使环路失锁。 3 t s p c 动态结构的d 触发器式p f d 该结构的t s p c 是基于传统的d 触发器改造而成的，如图2 3 ( b ) 所示1 7j 。优点是t s p c 结构 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，可以减少相位噪声；而且和c m o s 标准门结构的d 触发器相比较在高频工作情况下有较 低的功耗。缺点是如果输入信号的幅度较小就不能有效的工作，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。 杀陲+ 倒 图2 - 3 ( a ) 普通型边沿触发式p f d 及其特性曲线( b ) t s p c 动态d 触发器式p f d 及其特性曲线 4 差分型边沿触发式p f d 差分型边沿触发式p f d 是在普通型边沿触发式p f d 的基础1 2 1 5 1 1 9 1 ，将传统的d 触发器及与门采 用全差分n m o s 管式的结构( 即s c l 结构) 替代。该p f d 不仅具有结构简单，线性度好，鉴相范 围宽( - - 2 1 t 。+ 2 ) 的特点，还具有功耗低，速度快的优点。 2 2c p 及其结构概述 传统的c m o s 电荷泵电路都使用m o s 管开关，并由两个带开关的电流源组成。电荷泵的电路 原理图如图2 - 4 所示，电荷泵的主要功能就是将鉴频鉴相器( p f d ) 的数字信号u p 或d o w n 转化 为模拟信号，来控制压控振荡器( v c o ) 的频率。当p f d 给出高精度的相位误差时，电荷泵对整个 环路的性能起着决定性的作用。当p u ，环路锁定在某个频率时，电荷泵的输出电压v c 将保持在某 5 东南大学硕士学位论文 个固定电压。 图2 - 4 电荷泵电路原理图 下面主要介绍c p 的主要结构： c p 的结构总体上可分成两类：一类为单端输出c p ；另一类为双端输出c p ”。 单端输出c p 拥有自身的特点。如功耗相对较低等，图2 5 是三种最为经典的单端输出的c p 。 其中图2 - 5 ( a ) 为漏开关电路，即开关管在电流镜漏端的电路。当m i 关闭时，其漏端被置为零； 当m i 开启时，其漏端电平会从零拉升到后端滤波器的电平。在漏端电平没有足够时，m 1 会始终处 于线性区，此时，由于电流镜，m i 和开关管的开启电阻不同所引起的电压差异，会产生电流p e a k 。 同样，p m o s 管m 2 也会有同样的问题。图2 - 5 ( b ) 为栅开关电路，即开关管在电流镜栅端的电路。 这种结构的电流镜可以保持在饱和区，为了提高开关速度，m 3 与m 4 最好保持较大的尺寸，因为 m 3 与m 4 的跨导会影响到开关的时间常数。同时，当c p 输出电流很大或是使用长沟道器件时，m i 与m 2 的栅电容相当重要。图2 - 5 ( c ) 为源开关电路，即开关管在电流镜源端的电路。此时m i 与 m 2 会始终处于饱和区，栅的开关速度以及m 3 与m 4 的跨导不会影响到开关的时间常数，所以，可 以用较小的偏置电流实现较大的电流输出。这种结构比栅开关电路拥有更高的开关速度，因为其开 关只与一个管子相连，产生的寄生电容较小。 叠 w 瞄2 r 工1 蜕 p 。 l 一 7i i ( a ) ( b )( c ) 图2 - 5 典型的单端输出凹 图2 - 6 是以上单端输出的改进型电路。被称为电流控制电路，且都为双端输入电路，其中图2 - 6 ( a ) 中增加了单位增益放大器，解决图2 - 5 ( a ) 中m i 、m 2 的漏端与滤波器的电荷共享问题。这 种结构在c p 的寄生电容和滤波器电容可以比拟时特别有效。图2 - 6 ( b ) 与图2 5 ( a ) 相比，增加 了两个相反输入，这种结构可以增加其开关速度。图2 - 6 ( c ) 全部使用n m o s 管，解决了n m o s 与p m o s 之间的失配问题，但是当m 3 关闭m 1 导通时，即u p 为低d w 为高时，电流镜在小电流 时会对下拉输出电流产生影响。 ( a )( b ) ( c ) 图2 - 6 改进型c p 电路 6 第二章鉴频鉴相器和电荷泵的发展概述 下面介绍几个比较新颖的改进的c p 电路结构。 ( a ) ( b ) ( c ) ( e ) t 。i f 世 m l o m 4，铲 lm 汀l 严 j 问丹。 u d 孵 一 ”m r i 卜 。 ? 畔耻! ) 岫棚 m l i m 1 i ( ( e ) 图2 - ? 新颖的改进的c p 电路结构 如图2 - 7 ( a ) 为一改进型结构】。这一结构的开关没有直接接到输出级，避免了时钟馈通效应 的影响。而且增加了由m s l 和m s 2 组成的附加电流源，提高了电荷泵的速度。同时，附加电流源也 减小是高阻状态是的电荷共享问题，对于输出无任何影响。电路中的开关使用的是传输门结构，减 小了时钟馈通和延时失配的影响。级连结构的电流源增加了输出阻抗。 7 东南大学硕士学位论文 如图2 7 ( b ) 【l “，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，因而会影 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，从而可以很快的打开p 3 。当p 2 关闭时，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。需要主意的是，p 5 与m i 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，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 也削弱了波动对于输出的影响。 图2 7 ( c ) 0 3 1 分别用( s 2 s 4 ) ( s 7 s 9 ) 两个管子作为开关管连接p f d 的输出u p 和d w ( u i d 1 ) 信号，使得x 和y 点不会被置于电源和地，减小了这两点与输出点的电荷共享问题。同时两个单位 增益放大器o p l 与o p 2 的使用也是为了解决电荷共享的问题，而n 5 和p 5 的使用是为了减小开关 s 4 和s 7 的电荷注入。( s 1 s 3 ) ( s 6 s 8 ) 的开关管是由u p 和d w ( u 2 d 2 ) 信号控制，p 2 和p 3 管 及n 2 和n 3 分别组成电流源电路，作为输出电流的来源。n 1 和p l 是用来抵消s l 和s 8 的电压降， 提高电流源的性能。 在图2 7 ( d ) 中【，当u p 为高电平时，m 7 向b 点充电，把b 点电平拉高，使m 5 、m 6 迅速关断。当 u p 为低电平时，m 6 向a 点充电，把a 点电平拉高，使m 3 、m 7 迅速关断，从而提高了电荷泵的开关 速度，同时很好的解决了传统电路中电荷注入的问题。 图2 7 ( e ) 电路中“”增加m 4 、m 5 和m 1 0 、m 1 1 的目的是提高m 6 和m 1 2 的开关速度。当u p 为低时，m 4 可以镜像到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 。需要注意的是，其输出也采用了共源共栅结构。 2 3 设计结构的选择 由以上分析可知。目前使用的p f d c p 的结构非常多，但真正常用的仅有一两种，特别是在p f d 方面，普通型边沿触发式p f d 因其采用传统的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 n ，+ 2 ) ，其存在死区的缺点也可以很容易的通过增加一定的复位电路来解 决，因而得到了广泛的关注和使用。同时因为全差分型结构的特点是静态电流功耗低，高速，很好 的线性，低时钟歪斜，能够很好地解决漏电流和噪声干扰，所以也成了选择的重点。 在c p 方面，由于系统要求c p 电流范围非常大，而同时电流的失配也要达到系统要求，所以，传统 的c p 结构因其结构( 如图2 - 4 所示) 简单，便于设计，是首选。 8 第三章p f d c p 性能及对环路影响模型的研究 第3 章p f d c p 对p l l 环路影响模型的研究 3 1p f d c p 的工作原理及性能指标 3 1 1 p f d 的工作原理及性能指标 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，它主要将系统输入信 号与内部的反馈信号之间频率和相位的比较，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【。 理想的p f d 框架示意图如图3 - 1 ( a ) 所示。p f d 的工作原理类似于差动放大器，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 m n 与其两个输入的相位差a o 成线性正比 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 。= k 口d ( m l - - 0 2 ) = k d a o 。v 。和o 之间显线性关系，其斜率k p d 就是p f d 的增益。图2 - i ( b ) 所示为理想p f d 的特 性曲线”。 图3 1c 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 图3 一l ( c ) 为鉴频鉴相器p f d 的状态机示意图【i l l ，其三态工作方式分析如下： ( 1 ) 当p f d 处于状态0 时，u p 和d o w n 输出信号都处于无效状态，不触发后端电路： ( 2 ) 当p f d 处于状态i 时，u p 为“l ”，d o w n 为0 ；当k f 信号的上升沿到来时，u p 从无效“o ， 状态转化为1 状态，直到f v 。信号的上升沿到来时，再由“l ”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 处于状态时，u p 为o ，d o w n 为“1 ”；当f v 。信号的上升沿到来时，d o w n 从 无效“0 ：t g 态转化为“1 ”状态，直到k 信号的上升沿到来时，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。 当鉴相环路进行频率捕捉时，p f d 就以鉴频方式工作；当进入相位锁定区域以后，它就转化为 鉴相方式工作。当输入参考信号的频率小于输入受控信号v c o 的频率，即k f ( f v c 。时，鉴频鉴相器 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3 - 2 ( a ) 所示。相反的，如果k p k 。， p f d 则产生正脉冲d o w n 信号，而u p 信号就一直保持为低。如果，k f = 。，那么p f d 或产生u p 信号或产生d o w n 信号，且信号的脉冲宽度等同于两者输入信号的相位差。图3 - 2 ( b ) 所示为d = 。时，r e f 信号相位滞后v c o 信号的波形图。( 注意：理想状态下，u p 和d o w n 信号不能同 时为高) 。 岛厂 nnr ，啊几n 厂 几门 坤丌广 r n ( a ) ( b ) 图3 - 2 ( a ) k f ( 的理想波形图( b ) 如f = 。时，r e f 信号相位滞后v c o 信号的波形图 9 东南大学硕士学位论文 p f d 的主要的性能指标为： 鉴相特性曲线：鉴相特性曲线就是鉴相器的输出电压随输入信号的相位差的变化曲线，要求特性曲 线为线性且线性范围要大。 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，一般定义为相位差o = 0 点上的灵敏度。 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 ，+ 2 】，如图3 - 3 ( a ) 所示；然而，由于复位电路的延迟效应，使得p f d 的鉴相范围将小于4 ， 如图3 - 3 ( b ) 所示。 r d - 一教刀卅 y 0 溉 西 y a - a t a刁卅， y 匕 o t , - 譬4 y 。 西 ( a )( b ) 图3 3 ( a ) p f d 的理想特性曲线( b ) 鉴相范围小于4 丌的p f d 的非理想特性曲线 鉴相精度( “死区”) ：鉴相精度指的是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3 - 4c a ) 所示。而实际的p f d 当参考时钟信号和输出时钟信号k 。之间的相位误差很小时， 那么在u p 或d o w n 上产生的脉冲非常窄，由于实际的p f d 存在节点电容，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到达高电平，从而无法打开电荷泵，因而也就 没有办法检测出此相位差。因此，如果输入的相位差中小于某个定值0 0 ，电荷泵没有注入电流， l p f 输出的电压就不再是中的函数。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 以称在中= 0 附近有一个大小等于中o 的“死区”。图3 q ( b ) 所示为带有“死区”的p f d 的非 理想特性曲线图。 r ，卫 一譬露卅卅 陟 0 缎 a 毋 i r e s 一教翟钥卅一 陟匕 0教 西 ( a )( b ) 图3 q ( a ) p f d 的理想特性曲线( b ) 带有“死区”p f d 的非理想特性曲线 最大工作频率：是指鉴相器能够稳定工作的最高频率。如果输入时钟信号的频率为t c 一同k m ，一 为复位时间，根据前面的分析可知当o = ，p f d 输出的错误信息就会占周期的一半，因此就不能 连续的捕获频率锁定信息。所以，p f d 最大的工作频率就定为：b l ，( 2 k m ) 。由此可见， 与f c k 坤f 成反比，k 一越小，岛就越大。 结论： 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，要考虑各项指标的相关性并且 突出设计重点。提高其鉴相精度，减小“死区”范围的主要办法是改进复位电路，增大其延迟一 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，a 中就相应的增大， 这样鉴相范围就减小，捕获速度也相应地减慢；并且p f d 的最大工作频率七一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围和捕获速度的 前提下，改进p f d 的“死区”特性，提高其鉴相精度w 2 0 ! 是本文p f d 设计及优化的重点。 1 0 第三章p f d c p 性能及对环路影响模型的研究 3 1 2c p 的工作原理 一般传统的c m o s 电荷泵电路都使用m o s 管开关，并由两个带开关的电流源组成p j 。电荷泵 的电路原理图如图3 - 5 ( a ) 所示，电荷泵的主要功能就是将鉴频鉴相器( p f d ) 的数字信号u p 或 d o w n 转化为模拟信号，来控制压控振荡器( v c o ) 的频率。当p f d 给出高精度的相位误差时， 电荷泵对整个环路的性能起着决定性的作用。当p l l 环路锁定在某个频率时，电荷泵的输出电压 v c 将保持在某个固定电压。电荷泵的状态机示意图如图3 5 ( b ) 所示，电荷泵有效工作时处于三态 工作机制川【”l ： ( 1 ) 状态l ；u p = - “1 ”，d