（微电子学与固体电子学专业论文）数模混合锁相环用高性能电荷泵设计.pdf

7 j 独创性声明 f | f f i f f f i f f f f i 川f l i l f l f i f f f l l i f f f j 删 y 1 7 8 7 813 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。 关于论文使用授权的说明 神| 口专。 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) 虢茸堑t 导师虢差色箬慨兰塑， i 幽 摘要 摘要 近年来，由于c m o s 工艺技术的不断进步，器件的特征频率可以达到几个 g h z 或更高的水平，使得超大规模集成电路的设计研究受到越来越多的关注。 无线通信系统中的电路逐渐采用c m o s 工艺设计已成为一种趋势，因为这样的 设计电路可以降低功耗，实现高度集成。还有一个诱人之处就是由于目前信号的 处理主要采用数字方式实现，而绝大多数数字集成电路采用c m o s 工艺进行设 计，那么同样采用c m o s 工艺对模拟电路设计就有可能将模拟部分与数字部分 集成在一起，这正符合现在世界上单片集成混合系统的发展方向。 电荷泵是无线射频收发、数据恢复、时钟产生等芯片中很重要的电路，负责 将数字信号相位差转化为等价的模拟电压值，是设计匹配精度要求很高的一个模 块。本文主要针对2 类三阶数模混合锁相环结构进行了系统模型分析，通过该系 统模型，为电荷泵电路的设计提供理论指导。电荷泵由放电支路和充电支路组成， 如果两条支路电流不相等，会产生电流失配；若支路还含有中间节点，则受控制 信号脉冲的跳变影响，会产生电荷泄露；这些非理想效应降低了电荷泵的性能。 本文在电荷泵设计中，采用共源共栅电流镜配合n m o s 开关管得到了匹配电流； 利用虚拟支路和源端开关的措施降低了电荷泄漏。其仿真结果为充放电电流 1 1 u a ，最大电流失配为1 1 ，线性输出范围达到 0 4 v ，1 6 v 】。 在仿真平台所需的信号源，即电荷泵前级鉴频鉴相器的设计中，本文对高频 t s p c 电路进行了优化，使得鉴频鉴相器具备功耗低，关键路径延迟小等优点。 通过重置延迟与电荷泵开关时间的匹配，缩减了d e a dz o n e 范围。 电荷泵电路设计采用c a d e n c es p e c t r c 仿真工具，o 1 8 u mc m o s 工艺，电源 电压1 8 v 。 关键词数模混合锁相环；电荷泵；电流失配；电荷泄漏 a b s t r a c t a b s t r a c t 、研mm ea d v a n c eo fm ec m o s p r o c e s st e c h n o l o g y ，t h ec u t o f r 右l e q u e n c yo fm o s d e v i c c sc 姐r e a c hs e v e r a l 百g a l l e r t zo re v e i lm o r e i tm a k e st i 抢d e s i g 船觚dr e s e a r c h e s o fv e r yl a r g ei n t e 蓼a t e dc i r c u i t sa t t r a c tm o r e 觚dm o r ea t t e n t i o ni i lt h e s ey e a r s f o rt h e a d v a n t a g 韶o fl o wp o w e rc o n s u m p t i o na n dh i g hi n t e 莎a t i o n ，i ti sa 豫l d 孕a d u a l l ym a t m ed r c u i t so fw i r e l e s sc o 舢m u n i c a t i o ns y s t e ma r ed e s i 弘e db yc m o st e c i l l l o l o g y s i n c em o s ts i 印a l sh a v ep r o c e s s e di nt h ed i 舀t a ld o m a i n ，嬲dm o s td i 西t a li n t e 笋a t e d c i r c u i t sh a v em a i l u f a c t u r e di nc m o s t e c h n o l o g yn o w a d a y s ，i ti sp o s s i b l et oi n t e g r a t e t h ea n a l o gp a na i l dd i 舀t a lp a r to no n ec h i p ，i ft h ea i l a l o gc i r c u i t sa r ea l s od e s i g n e d a i l dm a l l u f a c t u r e di nc m o st e c h n o l o g y t h i si sv e qa t t r a c t i v e ，a n di tw i l la c c o r dw i t h t l l ed e v e l o p m e i l t t c n d e l l c y c h a r g ep u m pi sav e r yi m p o r t a n tp a r ti nw i r e l e s sr f 仃a n s c e i v e r d a t ar e c o v e 巧 a n dc l o c kg e i l e r a t o rc h i p s i tt r a i l s f o 肌st h ep h a s eo fd i 百t a ls i 驴a li n t oa i le q u i v a l e i l t a n a l o gv o l t a g e ，a n da l s oi ti st h em o d u l en e e d i n gv e r yl l i g h e s ta c c u r a c y i nt l l i sp a p e r ， m es y s t e mm o d e lo fs e c o n dt y p ea n dt h i r do r d c rm i x e d s i 印a ip h a s e l o c k e dl o o pi s a 1 1 a l y z e d ，a n ds o m et l l e o r e t i c a ig u i d a i l c ei s 西“n gt ot h ed e s i 髓o fm ec h a 玛ep 哪叩 c i r c u i t c h a z 苫ep u m pc o n s i s t so fc h a 哂n ga n dd i s c h a 哂n gb r a n c h e s ，觚dc u l l e i l t m i s m a t c hw i l lh a p p e i li ft l l et w ob 啪c hc 1 盯e i l t sa r cn o tc q u a l i l l e r ew i l la l s ob e c h a 唱el e a k a g ea tt h ei n t e m l e d i a t en o d e st a k e nb yc o n t r o ls i 印a l sp u l s et m s i t i o n 1 1 1 e s en o n i d e a le 彘c t sw i l lr e d u c em ec h a r g ep u m pp e 而肌a 1 1 c e i nt h i sp a p e r ，t l l e c a s c o d ec u 盯e n tm i l l r o r sa n dt h en m o ss w i t c h e sa r eu t i l i z e dt og e n e r a t em a t c h i n g c u 玎e n t si nm ec h a r g ep u m pd e s i g l l t i l ed u m m yb r a n c h e sa 1 1 ds o u r c e - s i d es w i t c h e s a r eu t i l i z e dt 0r e d u c et h ec h a 唱el e a k a g e t h es i m u i a t i o ns h o w s l a tt h ep u m pc u r r e n t s a r e1 1u a ，a n dt h em a x i m u mc u 盯e n tm i s m a t c hi s1 1 ，i t si i n e a rr a i l g eo fo u t p u t v o l t a g ei sf 而mo 4 vt o1 6 v t h es i 盟a is o u r c eo ft h es i m u l a t i o np l a t f 0 册，p h a s e 仔e q u c n c yd e t e c t o r m ef i r s t s t a g eo fc h 鹕ep 啪p h a sb e e no p t i m i z e d b yt h eh i g l l - 骶q u e n c yt s p cc i r c u i ti nt h i s p a p e r ；s ot h a tt h ep h a s e 丘e q u e n c yd e t e c t o ri sl o wp o w e rc o n s u m p t i o na n dh a s1 0 w p r o p a g a t i o nd e l a yo nt h ek e yp a t l l a n dd e a dz o n er a n g ew i l lb es m a l li ft h er e s e t t i n g d e l a ya n do p e n i n gt i m eo fc h a 玛ep u m ps w i t c h e sg e tm a t c h e d a ut h ec i r c u i t sa r ed e s i g n e du t i l i z i n g0 18 u mc m o st e c h n o l o g ya n d1 8 vp o w e r s u p p l yb yc a d e n c es p e c t r es i m u l a t i o nt o o l s k e y w o r d sm i x e d - s i g n a lp l l ；c h a r g ep u m p ；c u r r e n tm i s m a t c h ；c h a r g el e a k a g e - f 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论卜 1 1 课题背景及课题意义卜 1 2 课题研究的国内外进展及成果2 1 3 论文的结构及研究内容3 第2 章数模混合锁相环的结构及原理5 2 1 数模混合锁相坏概述5 2 1 1 鉴频鉴相器6 2 1 2 环路滤波器9 2 1 3 压控振荡器1 0 2 2 数模混合锁相环环路工作原理1 2 2 2 1 时域模型1 2 2 2 2 频域模型1 4 2 3 数模混合锁相环捕捉锁定原理17 2 4 本章小结1 7 第3 章数模混合锁相环电荷泵基本结构与原理分析1 9 3 1 数模混合锁相环用电荷泵原理1 9 3 2 简单电荷泵电路2 l - 3 3 非理想效应分析2 2 3 3 1 电流失配一2 2 3 3 2 电荷泄漏2 3 3 4 本章小结2 6 第4 章数模混合锁相环电荷泵电路的设计一2 7 4 1 电荷泵电路高性能优化2 7 4 1 1 虚拟支路2 7 4 1 2 开关分析2 8 4 1 3 高性能电荷泵设计3 2 4 2 仿真平台的设计3 9 4 3 本章小结4 2 第5 章电荷泵及相关电路的仿真与分析4 5 北京1 二业大学工学硕士学位论文 5 1 鉴频鉴相器仿真，4 5 5 2 电荷泵仿真一4 6 5 2 1 电荷泵失配电流仿真4 6 5 2 2 电荷泵关断电流仿真4 9 5 3 环路锁定仿真4 9 - 5 4 电路版图5 2 5 5 本章小结5 3 结论5 5 参考文献5 7 一 攻读硕士期间发表的学术论文6 1 - 致谢6 3 第1 章绪论 第1 章绪论 电荷泵是数模混合锁相环的特征模块之一，也是数字部分和模拟部分的结合 模块，其关键性对于锁相环不言而喻。而锁相环( p l l ：p h 晒e 1 0 c k e dl o o p s ) 是 一种利用反馈控制原理实现的频率及相位的同步技术。当监测频率或相位发生改 变时，锁相环会通过其内部的反馈系统来调节输出频率，直到两者重新同步，这 种同步被称为“锁相”。锁相环是数模混合系统中基本但又非常重要的模块。 1 1 课题背景及课题意义 随着通信技术与产品的全球迅猛发展，通信业务对有限的频谱资源需求越来 越大，对频率的范围、频率源的稳定度、频谱纯度及频率输出的个数要求越来越 高。虽然晶体振荡器一直以其优越的物理特性广泛应用于中低频电子电路中，但 已无法满足越来越多的高频、多频、变频的频率源需求。因此，在晶体振源基础 上配套加载的锁相坏电路成为现代通信系统中不可替代的一部分。由锁相环构成 的间接式频率合成器在无线通信领域发挥着非常重要的作用，这种频率合成器产 生的输出信号频率可以通过编程控制，并按分数比乘以固定的输入频率，以此作 为在无线接收机中的本地振荡信号【1 】【2 j 【3 】。 而锁相环不仅仅能用在无线收发机、雷达捷变频等宽带领域，同样可以应用 在硬盘驱动电路及c p u 等专用数字芯片中。利用其检波的窄带特性，锁相环电 路可作为提供数字时钟信号【4 1 、消除时钟偏斜、数据传输恢复的主要方式。所以 其应用范围可分为： 1 ) 时钟发生器。锁相环环路锁定后，输出的信号频率是输入参考信号频率 的n 倍。因此，锁相环可以将低频时钟转化为高频稳定输出的时钟。系数n 是 固定整数时，称为时钟发生器。与石英晶体振荡器相比，锁相环时钟电路不仅提 高了p c b 板和芯片封装的带宽范围，而且降低了高频时钟源的制造成本。 2 ) 时钟恢复。由于数据和时钟传输路径不同，造成延迟不同。而且为了降 低频谱等资源成本，在数字通信系统中，发送端只发送数据流而不发送时钟信号。 因此接收端为了能正确地接收数据，必须从数据中恢复出同步时钟。锁相坏能从 接收数据中检波提取相位信息，调节输出时钟的相位和频率与接收数据一致。 3 ) 抑制时滞效应。在大规模的数字系统中，时钟信号的负载很大，常常通 过加载缓冲器来提高其驱动能力；另外，芯片内部的时钟树连线延迟也不能忽略。 因此时钟信号与数据之间就会不同步，导致数字系统发生时序错误。为了抑制时 滞、提高系统的稳定性，可以采用锁相环来校准输入时钟和数字系统的内部时钟， 北京工业大学工学硕士学位论文 因为锁相环锁定时输出时钟和输入时钟的相位差可以接近零。 4 ) 调制和解调器。锁相环本身就是一个调频解调器，经过合理的应用，锁 相环路可以用作任何调制方式的调制器和解调器 5 ) 频率综合器。分频器系数n 是可以变化的实数时，锁相环又称为频率综 合器。主要用于满足多频需求，如雷达遥感等需要发射跳变频率的射频探测信号。 根据以上锁相环的用途划分，可分为宽带或窄带两大应用领域。窄带设计主 要用于数字芯片电路，而宽带设计则主要用于通信射频设备。 随着对锁相技术的理论和应用进行广泛深入的研究，目前，数字鉴频鉴相器 ( p f d ：p h a s ef r e q u e n c yd e t e c t o r ) 和电荷泵( c p ：c h a 唱ep u m p ) 作为数模混合 锁相环的核心模块，成功取代传统模拟锁相环的鉴相器，使得环路锁定相差减小， 捕获范围扩大，因此选用无源滤波器做到系统环路单片集成，成为当前锁相环设 计方式的主流【5 ：l 【6 1 。 电荷泵作为鉴频鉴相器和低通滤波器之间的数模转换模块，对整个锁相环的 性能又起到关键作用，所以设计高性能的电荷泵成为当今设计数模混合锁相环的 重要课题。 1 2 课题研究的国内外进展及成果 锁相的概念早在1 9 3 2 年便由法国的h d eb e l l e s c i z e 提出，采用p l l 电路作 为新的无线接收式替代超外差【7 】，但并未引起普遍的重视。直到1 9 4 7 年，锁相 环才正式应用于电视接收机水平与垂直扫描的同步模块，用来抑制噪声对同步信 号的干扰，使得电视图像的同步性能得到很大的改善。到了2 0 世纪7 0 年代，民 用频段的无线电收发报机非常流行，作为无线电收发报机的本振采用了p l l 电 路，并因此开发出了一系列的p l l 集成电路。随着深亚微米制造工艺的不断更 新换代，工作电压的下降，特征尺寸的减小，使得p l l 电路不断的高集成化和 低价格化，而性能与功能却显著的提高与增多。传统的全模拟锁相环逐渐被数模 混合型锁相环，甚至被数字应用领域中的全数字锁相环【s 】所取代，出现在移动电 话和数字时钟电路中。 近些年，工业界和学术界在锁相环技术方面的研究和开发大多集中在数字时 钟发生器和频率综合器两个方面的应用上，而数模混合锁相环因其功能和性能的 强大优势获得了两者的共同青睐。 电荷泵最早起源于d i c k s o n 模型，这种电容倍压电路奠定了片上电荷泵的基 础。后人又将d i c k s o n 模型应用到c m o s 工艺中，并衍生出了不同的改进电路。 对于集成p l l 芯片而言，现今高性能产品主要集中在一些国际跨国i c 公司 手中，其中多数公司是美国企业，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 ) 、德 第1 章绪论 州仪器( t i ) 、高通( q u a l c o m m ) 、安森美( o ns 锄i c o n d u c t o r ) 、模拟器件( a m a l o g d e v i c e ) 等，其他的有日本公司富士通( f u i i t s u ) ，韩国三星( s a m s u n g ) 等等。 美国模拟器件公司( a d i ) 近年就推出了专门为需要宽频率调谐范围和高调 谐电压压控振荡器应用的频率综合器a d f 4 1 1 3 h f ，该款产品是世界首款带高电 压电荷泵的p l l 频率合成器，调谐电压可达1 5 v ，工作范围2 0 0 m h z 4 g h z ， 供电电压可以从2 7 v 至5 5 v 。 相比之下，我国国内少有企业掌握高性能电荷泵p l l 技术，产品也比较少 见。该类产品几乎全部依赖从国外进口，国内巨大的p l l 芯片市场被国外产品 所垄断。高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，其中东南大学射 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 5umc m o s 工艺的最高速率。 1 3 论文的结构及研究内容 第l 章：绪论，从锁相坏的重要性切入，介绍了锁相环用电荷泵的研究背景 和国内外的研究现状。 第2 章：介绍了数模混合锁相环的原理以及各个模块的原理，尤其是鉴相器 的理论分析，为后续的仿真平台设计做准备；同时还描述了锁相环环路工作的时 频域模型和捕捉锁定方式，宏观的把握锁相环的工作机制。 第3 章：分析了电荷泵的基本结构和原理，并给出了典型的简单电荷泵，同 时对基于c m o s 电荷泵的几种非理想效应进行分析。 第4 章：在电荷泵设计分析的基础上，提出一种高性能电荷泵的设计架构， 并对仿真所需的前级模块鉴频鉴相器作了设计。 第5 章：在和舰o 1 8 u m ，1 8 v 电压工艺条件下，采用v i n u o s os p e c t r e 工具 搭建仿真平台，对电路进行仿真和讨论，并给出版图： 结论：对本文的创新性贡献作以总结，并对后期工作进行展望。 北京 业大学工学硕士学位论文 4 r 第2 章数模混合锁相环的结构及原理分析 第2 章数模混合锁相环的结构及原理 锁相环是很重要的一类反馈系统，在调制、解调、频率合成、载波同步、重 定时等很多方面都具有广泛的应用。依据各模块的设计实现方式划分，可分为为 四大类【9 】： 1 ) 线性锁相环( l i n e a rp l l ) ，传统全模拟电路实现： 2 ) 数模混合锁相环( m i x 酣s i 皿a lp l l ) ，鉴频鉴相器由数字电路实现； 3 ) 全数字锁相环( a 1 1 d 酶t a lp l l ) ，全数字电路实现； 4 ) 软件锁相环( s o 胁a r ep l l ) ，功能由计算机软件实现。 数模混合锁相环包含了数字电路、模拟滤波以及高频模块，是一个非常复杂 的数模混合系统。设计采用的全定制的实现方式，相对于其它方法更宜于片上集 成、降低成本和整合效率。所以本章主要展开介绍数模混合锁相环，因为它是目 前多数模拟通信或数字芯片设计的热点。 2 1 数模混合锁相环概述 数模混合锁相环，其环路锁定的基本思想，即体现于基本模块的架构，如图 2 1 所示，是由鉴频鉴相器( p f d ：p h a s ef r e q u e i l c yd e t e c t o r ) 、电荷泵( c p ：c h a r g e p u m p ) 、环路滤波器( l p f ：l o wp a s sf i l t e r ) 和压控振荡器( v c o ：v 0 l t a g ec o n t r o l l e d o s c i l l a t o r ) 组成。 图2 - l 数模混合锁相环基本框图 f i g u r e2 一lb l o c kd i a g r a mo fm i x e d s i g n a lp l l 下面对框图中的模块原理做一简要描述：数模混合锁相坏的鉴频鉴相器是数 字相位比较装置，它把输出信号和参考信号进行实时比较，触发器产生对应的误 差电压方波；电荷泵则通过模拟电流镜将误差电压转化为恒定的直流充放电电流 ( 由于受器件饱和等限制，电流实际并非完全线性，所以本质也是时间的函数) ； 环路低通滤波器中的积分器受控于电荷泵的电流，产生控制电压，并且将日才级传 到过来的高频成分和噪声信号滤除，以保证环路的性能和稳定性；压控振荡器则 受控于控制电压的低频成分，使输出的振荡频率向参考输入频率靠近，进一步使 北京_ t 业大学工学硕士学位论文 得差值变小，直到锁定消除差值。 数模混合锁相环与其它锁相环的区别在于引进了电荷泵及与其配套的数字 时序鉴相器，因此下几节将重点介绍数字时序鉴相器及其它锁相环电路的通用基 本模块，并进行原理分析，而有关电荷泵的部分将在第3 章详述。 2 1 1 鉴频鉴相器 鉴频鉴相器的功能是比较两个输入信号之间的相位差，并产生一个正比于该 相位的输出信号，主要应用于输出频谱广的宽带设计中。而窄带应用的是模拟鉴 相器，如数据恢复锁相环的高速模拟l a t c h 【1 0 】等；鉴频鉴相器是对模拟鉴相器的 鉴相范围的扩展，两者各有特点，选择则需根据应用用途而定。 鉴频鉴相器，是一种能够鉴频的时序鉴相器。而鉴频鉴相器有许多种，如双 d 鉴频鉴相器、h o g g e 鉴频鉴相器、三波( 嘣w a v e ) 鉴频鉴相器l 等等。 时序鉴相器是由触发器和门等数字电路构成的，其输出有用的误差电压，仅 取决于输入信号波形的翻转与v c o 波形翻转之间的时间间隔，而与波形中的其 他细节无关。时序p d 电路中存在反馈回路，所以时序鉴相器对波形的处理具有 记忆功能，而且如上文所述，它产生的特性是乘法器电路很难产生或不能产生的。 例如时序鉴相器能够在o 或万( 如s r 触发器鉴相器) 的相差时锁住，并且它的 平衡点和亚稳态点的增益差很多，使得锁定的时间短，这些都是信号完全同步的 前提，所以时序鉴相器有着更广泛的应用和前景。 但是一般的时序鉴相器实际结果只能分辨在同频的程度上，锁定时的固定相 差不同设计各有不同。如果有一款鉴相器的鉴相范围关于原点对称，那么为了使 鉴相范围最大，环路锁定时可以设计成零相差锁定( 实际相差为很小的d e a d z o n e ，其本质上无法消除) ，就达到了分辨相位同步的最根本层面，而鉴频鉴相 器就实现了这一点【1 2 】。本文采用双端输出的不存在亚稳态点的双d 三态鉴频鉴 相器结构作为电荷泵控制信号发生单元的初始模型，其由两个带复位的d 触发 器和一个与非门构成，如图2 。2 ，输入信号为方波，并最终对其进行了性能优化。 其中rc l k 为参考信号，vc l k 为压控振荡器的反馈信号。而输出信号 u p 和d n 分别表示输入信号间不同的相差关系，控制下一级电荷泵电路为环路 低通滤波器中的电容充放电。电路工作波形如图2 3 。 双d 三态鉴相器的状态只有o o ，o l ，1 0 ，因为很明显u p 和d n 同为l 时 被强制清零( 此为电荷泵电路f 常工作的前提) 。启动时，设初时刻u p = o ，d n = 0 ；当有任何一个输入信号的上升沿到来时，相应的输出端就会变成高电平( u p = 1 或d n = 1 ) ，状态变为0 1 或1 0 ：此状态会持续到另一个输入信号上升沿到来时， 被重置清0 ，恢复到初时刻。对波形图分析可以更直观地得出工作机理： 第2 章数模混合锁相环的结构及原理分析 1 ) 图2 3 前一部分为鉴频状态，vc l k 的频率比rc l k 的频率高，所以 d n 一直有脉冲输出，其逐渐增长的脉冲宽度体现了输入信号间的频率差值。而 u p 只在p f d 启动时，由于rc l k 第一周期相位领先而产生了一个脉冲，并不 影响总体性能，可以忽略。 2 )图2 3 后一部分为鉴相状态，两个输入频率相等，rc l k 相位领先于 vc l k 。输出u p 不断产生宽度与两者相位差成正比的脉冲，而d n 输出保持为 o 。 3 ) 根据p f d 电路的对称性，可知无论输入信号rc l k 相位比vc l k 的 提前还是滞后，相应的u p 或d n 都会将侦测到的相位误差转换为占空比不同的 方波传送至电荷泵，进而提供了频差或相差的相关信息。藉此机制，使得此电路 同时具有鉴频和鉴相的功能。 d 0。1 。 rc l k vc l k 图2 2 双d 三态时序鉴相器 f i g u r e2 2d o u b l edt r i s t a t et i m i n gp h a s ed e t e c t o r 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 u p r linr 。n in 厂 厂”ll 图2 3 舣d 时序鉴相器j i ：作波形 f i g u r e2 3w o r kw a v eo fd o u b l edt i m i n gp h a s ed e t e c t o r 7 北京工业大学工学硕士学位论文 需要说明的是，p f d 处于鉴相状态时，不像p d 输出的是单路相位误差信号， 而是双路的，所以其鉴相范围为( 一2 万，+ 2 万) ，扩展到了4 万的周期，且为线性。 鉴相增益为： 。= 去= 寺 协3 ) 式中是电源电压，k 尸，d 的值与鉴相特性曲线斜率相等，如图2 - 4 。 r fj7 2 万 k 2 万 彳 d 亡扩 黝1 e 图2 4 p f d 鉴相特性曲线 f i g u 2 4 p f d p h 硒e d e 舰c o r w a v e 图2 - 4 中d e a dz o n e 则是两信号接近零相差接近同步锁定时，增益突然将为 o 的相差范围，是任何锁相环实际上都无法达到1 0 0 零相差锁定的原因，其本 质是电荷泵开启时间和信号闭环反馈传播时间的差值。 很多文献【1 3 】中都将p f d 的鉴相特性曲线原点左侧波形向横轴左侧以2 7 r 为 周期无限延伸，原点右侧波形则向横轴右侧以2 万为周期无限延伸，这样做是因 为虽然同频信号的鉴相不超过( 一2 万，+ 2 万) ，但两不同频率的信号初始瞬时相位 差却很可能超过( 或落后) 一个或多个周期以上，尽管初始的相位差并不重要， 甚至像上文1 ) 中分析需要忽略，但图的逻辑性会更严谨。p f d 鉴相曲线绝不能 误解为鉴频鉴相总的特性曲线，因为鉴频的特性曲线是非线性的。本文的鉴相曲 线之所以仅为( 一2 石，+ 2 7 r ) 范围，就是想仅强调p f d 同频的鉴相特性和线性规 律。 当p f d 处在鉴频状态时，相差会超过卜2 万，+ 2 万】，为无穷宽，如图2 5 。此 时特性曲线是非线性的，呈一种饱和形式，其构成的锁相坏的捕捉范围取决于压 控振荡器的带宽。同时，这种鉴频特性扩大了坏路的快捕带，缩短了频率牵引过 程，能使坏路快速进入相位锁定区域l l 4 l 。 第2 章数模混合锁相环的结构及原理分析 y p 吣 屹 1 2 1 2 环路滤波器 0 l 玉 k i 12 q 二 厂 图2 5p f d 鉴频特性曲线 f i g u r e2 5p f df k q u e n c yd e t e c t i o nw a v e 环路滤波器的设计是频率合成环路的重要环节。环路滤波器决定了合成器的 杂散抑制、相位噪声、环路稳定性以及捷变时间等非常重要的环路参数，起到屏 蔽前后级“隔断”作用。常用的环路滤波器有直接与鉴相器相连接使用和通过电荷 泵相连接使用的两种类型。本文主要讨论常与电荷泵一起使用的无源滤波网络。 环路锁住的时候相位误差为零，而压控振荡器又需要一个控制电压来产生所 需要的频率。为了能够从鉴相器的零输出里得到一个控制电压，环路就需要一个 对时间的积分器，并且，为了保证环路的稳定，环路滤波器要提供一个零点，使 得高频的时候阻抗趋向一个非零值。还要提供一个极点，电容值是积分电容的十 到十五分之一，用来提供几乎所有实际电荷泵p l l 都必需的纹波滤波，如果没 有这个高频极点，环路滤波器阻抗上形成的纹波电压多半会使v c o 和有源电流 开关过载。如图2 6 所示【1 5 j ： i c pv c o n t r o j l r 15 亍 l c 2 c 1i = l t i g n d 幽2 6 环路滤波器 f i g u r e2 6l o o pf i l t e r 上图所示的坏路滤波器构成的数模混合锁相坏是一个2 类三阶锁相环，然 北京工业大学工学硕士学位论文 而，虽然这是一个严格意义上的三阶p l l ，但最好还是被看作二阶的【16 1 ，因为 c 2 电容只是为了抑制系统响应中的高频成分而已，所以在实际应用中，还会在 增加一个或几个低通极点，构成2 类多阶环路，而频率响应不会太大变化。 2 1 3 压控振荡器 压控振荡器是通过外部电压激励，将直流电能转化周期性的交流输出信号 ( 通常为电压信号) 的大信号非线性电路。衡量振荡器的主要参数是相位噪声和 1 功耗，而在某些应用中，频率调谐范围也很重要； 衡量振荡器噪声性能的参数是相位噪声和抖动。相位噪声是在频域衡量频谱 的纯度，而抖动实在时域来衡量振荡信号过零点的不确定性，两者是对同一现象 的不同表述。当振荡器用作本地的振荡信号时，一般用相位噪声来衡量；而用作 时钟发生电路时，一般用抖动来描述。 稳定工作的振荡器都有幅度稳定机制( 通过有源器件的非线性) ，所以噪声 对振荡器造成的幅度扰动会被高度衰减，即仅表现为相位的扰动上。 压控振荡器的实现方式主要有l c 和环振两种。与l c 振荡器相比，环形振 荡器的相位噪声性能较差，并不适于高性能要求的无线通信应用。但由于环形振 荡器与标准的c m o s 工艺兼容，而且调谐范围宽，占用芯片面积小，而且通过 采用一定的技术手段，比如尽量使得输出为满幅振荡，环形振荡器的相位噪声性 能可以得到很大的改善，甚至达到l c 振荡器相似的相位噪声性能，因此成为研 究的热点。环振的设计需注意以下四点： 1 ) 提高环形振荡器的相位噪声性能最明显的措施是提高振荡信号的幅度， 因此在环形振荡器的各种延迟单元电路中，能够提供全摆幅振荡信号的电路将具 有最优的相位噪声性能。这在选择延迟单元电路时必须考虑的一个因素。 2 ) 另一个提高环形振荡器相位噪声的措施是研究环形振荡器的i s f 函数。 即提高环形振荡器在上升沿和下降沿的转换速率，提高最大斜率。通常这意味着 增加功耗，因为只有对寄生节点电容的充放电电流增大( 或降低寄生电容) ，转 换速率就提高了，须要在相位噪声和功耗之间折衷考虑。当然也可以换另外一种 转换速率快的延迟单元。 3 ) 压控振荡器实际芯片测试结果表明，输出频率由于走线寄生电容的影响 都回向下漂移，所以设计时要酌情上调指标。 4 ) 环形振荡器的级数也是一个需要仔细考虑的设计参数。更快的转化速率 可以减弱l f 噪声的上变频，从而减弱它的影响。对于单端结构的环形振荡器来 说，在( ) 。2 区，相位噪声与级数没有关系，那么在满足频率的基础上采用最大 级数可以减弱l f 噪声的影响，这是因为级数多会提高转换速率：而采用差分结 第2 章数模混合锁相环的结构及原理分析 构的延迟单元，在( 国) t 区相位噪声会随着级数的增加而增加，因此在振荡器波 形近似对称或者l f 噪声影响不太大时，采用最少的级数。 常见的宽带压控振荡器，运用三级c m o s 反相器可控环振，如图2 7 所示： v d d 图2 7 环形压控振荡器 f i g i l r e2 7 黜n gv o l t a g ec o n 仃0 1 1 e do s c i l l a t o r c m o s 环振荡器可以被看作基本的r c 多谐振荡器，其中每级反向器视为施 密特触发器。u t 为施密特触发器高低阈值电压差，而定时元件r 和c 实际上是 电路的寄生参数。用可控电流源替代r ，则振荡器的频率为： 厂= 一 ( 2 4 ) j o u t c 当注意到电路原型时，会发现这些参数并不恒定，它们随着工作状态改变而 改变，并且同时相互影响。相对来说电容c 比较稳定，寄生电阻r 与电流i 存 在相应的关系，r = r ( i ) 。自由振荡时，施密特触发器阈值电压差u t 用电源电 压v d d 代替，式( 2 4 ) 变为： 厂。2 玄2 击 q 巧) v i 从式( 2 5 ) 可以看出要想提高工作频率意味着降低r c 乘积，而对于给定 的工艺，r c 是相对固定的，之所有用“相对”，是因为r 并不是一个恒定参数， 它是对电流i 的变量，并随i 上升而下降，在放大区i 最大时r 达到最小值。 该环形振荡器电路通过改变反相器的驱动电流来改变延时，用p m o s 电流 镜给c m o s 反相器提供了一个有限的、可变的上拉电流。由于没有外加元件， 而且结构简单，极小的寄生参数提高了工作频率，最高频率可达到上g h z 【17 1 。 但是v c o 输出信号还要经过前置放大器放大至满振幅，以及拉升直流准位为 v d d 2 ，并消除噪声。 北京工业大学工学硕十学位论文 2 2 数模混合锁相环环路工作原理 从根本上来说，所有的锁相环都是非线性的系统，比如全数字锁相环d p l l ， 它用数控振荡器( n c o ：n u m 甜c a lc o n 们l l e do s c i l l a t o r ) 代替压控振荡器，不仅 表现出严重的非线性，而且受到量化效应的影响。模拟锁相环在相位差很小时， 也就是接近环路锁定和锁定时，其主要操作都可以很好的用线性模型近似，所以 本节中研究的锁相环环路分析大部分基于线性化，与本文主要研究的数模混合锁 相环鉴相机理本质上是一样的，只不过为方便分析将鉴频鉴相器的双端相差输出 简化为单端的鉴相器。但由于“数字”鉴频鉴相器的输出实际上也是模拟量的表 征，最后方波信号还是要被电荷泵作为模拟量处理，所以这一演化并不影响模型 的正确性。 2 2 1 时域模型 在锁定状态下锁相环中所有的信号都达到了稳态，鉴相器输出一个正比于输 入输出信号相位差的直流电压信号，低通滤波器对鉴相器输出的高频分量进行抑 制，让它的直流部分去控制压控振荡器。压控振荡器最终的输出频率等于锁相环 输入信号的频率，它们之间有恒定的相位差。图2 8 和图2 9 【l8 】分别是简化的时 域频率和瞬时相位阶跃的响应曲线，描绘构成了环路捕捉锁定的一个完美周期。 为了便于理解，假设锁定时的固定相差为0 ，锁定过程为一次渐进过程。图中需 要理解注意的是口。和晓，是总相位。 l l i i几n几几几 几n y ，： 圪也l ： 攻，l 织“i! o f 图2 8 时域频率阶跃响应 f i g u r e2 8t i m ed o m a i nr e s p o n s eo ff k q u e n c y 第2 章数模混合锁相环的结构及原理分析 当输入信号的频率有一个很小的正的阶跃时( 这在数字宽带应用时显得十分 重要) ，输入信号的相位就会逐渐超过输出信号的相位，鉴相器因此会输出更宽 的脉冲，这些脉冲不断开启电荷泵的电流开关进行充放电，提升了环路低通滤波 器的输出直流电压，以此提高压控振荡器的振荡频率。经过一定的建立时间，当 输入输出信号的频率相等时，鉴相器的输出脉冲宽度就会下降( 以欠阻尼振荡的 形式，这是一个时间延迟的表现) ，最终恢复到锁定稳定时的状态。但是低通滤 波器的输出电压会大于原来的值，因为能量随着时间得以在压控振荡器的积分器 上存储，使压控振荡器的输出频率跟上输入频率。 如果定性的数学分析，频率是相位的表征，其两者之间的关系为 缈( f ) ：掣 ( 2 6 ) 口f p ( f ) = i 缈( f ) d ( f ) + 岛 ( 2 7 ) 其中铱为初始相位。加到p d 的两个信号的频率差为 国( f ) = 吃叫一 ( 2 - 8 ) 瞬时相差为 包( f ) = l ( f ) 出+ 岛 ( 2 9 ) 压控振荡器的反馈频率总会达到和参考频率相等的时刻，即吃= ，那么 国( f ) = 0 ，有 包( f ) = i 缈( f ) 班+ 岛= 岛 ( 2 1 0 ) 即锁相环捕捉输入频率锁定时，输入信号和输出信号频率相等，相位相差为 固定常数。下一步即进入同频的鉴相过程，如图2 9 。 图中鉴相器的两输入之间的相位差突然增加中，即相位阶跃的幅度( 或固 定相差) ，使得输出产生宽脉冲，迫使电荷泵为环路滤波器充电，提高压控振荡 器的输出频率，减小环路中的相位误差。在这个瞬态过程中，相位误差随着时间 变话，因此环路没有进入锁定状态，继续变频。总之，v c o 的频率变化朝着缩 小相位误差方向变化，在最后锁定