（微电子学与固体电子学专业论文）cmos+pll时钟发生器的研究和设计.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 随着数字电视、通信技术的不断发展对频率源的频率稳定度、频谱纯度、 频率范围和输出频率个数的要求也变得越来越高，频率合成技术的应用也越来越 广泛。本课题研究的应用于网络设备和机顶盒的时钟发生器，具有一定的市场价 值，同时频率综合器的设计难度高，挑战性强，应用前景广，所以也是当前学术 界研究的热点之一。 本课题采用0 3 5 u r nc m o s 工艺设计的时钟发生器具备2 5 1 3 3 m h z 六种频 率输出，参考时钟的频率为2 5 m h z 。鉴频鉴相器采用双d 触发器的传统结构， 在复位回路插入延迟单元来消除鉴相死区； 电荷泵电路的设计充分考虑了电荷分享、时钟馈通、电流失配等影响因素， 使用传输管替代开关管，以u p 、d n 的互补信号替代单一信号驱动电荷泵来提 高电路性能，使用基准电流源和宽摆幅电流镜的偏置电路，充放电电流为3 0 u a ； 使用m a t l a b s i m u l i n k 辅助设计环路参数，快速准确地设置零极点位置使得 系统的相位裕度达到6 0 0 以上； 环形压控振荡器采用带有正反馈环的差分延迟单元，中心振荡频率为 4 0 0 m h z ，调节范围为7 4 ，相位噪声在偏离中心频率6 0 0 k h z 处为一 1 0 4 9 d b c h z ，在1 m h z 偏置处达到一1 0 9 6 d b c h z 。 后置分频器具有6 模分频功能，由s o l o s e l 2 三个管脚并行输入改变分频比， 专门设计3 4 双模分频器模块输出占空比为5 0 的时钟。 本课题完成了c m o s 锁相环时钟发生器的设计，并用0 3 5 u mc m 0 s 工艺器 件模型进行了相应的仿真分析，结果表明时钟发生器实现6 种频率的输出，锁相 环能够顺利锁定，达成了预期的各项设计指标。 关键词：时钟发生器；锁相环；电荷泵；多模分频器；环形压控振荡器 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec o n t i n u i n gd e v e l o p m e n to fd i g i t a lt e l e v i s i o na n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y i n c r e a s i n g l yi m p m v 嚣t h er e q u i r e m e n t sf o rt h ef r e q u e n c ys t a b i l i t y , f r e q u e n c yr a n g e ， s p e c t r u mp u r i t ya n dt h en u m b e ro fo u t p u t 五i e q u e n c y t h e r e f o r et h ef r e q u e n c y s y n t h e s i st e c h n o l o g yh a sb e e nw i l d l yu s e dt h e s ed a y s t h er e s e a r c hs u b j e c to ft h i s p a p e r , t h ec l o c kg e n e r a t o ri n t e n d e dt ob eu s e di nn e t w o r kd e v i c e sa n dt vs e t - t o p ，h a s t h ec o n s i d e r a b l em a r k e tv a l u e f u r t h e r m o r et h ec h a l l e n g i n gd e s i g nt a s ka n dp r o m i s i n g m a r k e ts h a r ea l s om a k et h ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e ro n eo ft h ep o p u l a rr e s e a r c h s u b j e c t s t h ec l o c kg e n e r a t o r , w h i c hw a sp r e s e n t e di nt h i sp a p e ra n dd e s i g n e du s i n g0 3 5 u m c m o st e c h n o l o g y , o u t p u ts i xf r e q u e n c i e ss u c ha s1 3 3 m h z ，1 0 0 m h z ，6 6 m h z ， 5 0 m h z ，3 3 m h za n d2 5 m h z t h er e f e r e n c ef r e q u e n c yw a s2 5 m h z t w o d f fw e r ee m p l o y e di nt h ep h a s ef r c q u e n c yd e t e c t o ra n dad e l a yu n i tw a s i n s e r t e di n t ot h er e s e t t i n gl o o pt oe l i m i n a t et h ed e a dz o n ei np f d t h ec h a r g ep u m p ，b i a s e db yar e f e r e n c ec u r r e n ts o u r c ca n daw i d es w i n gc u r r e n t m i r r o r , c h a r g e do rd i s c h a r g e dt h ec a p a c i t o rw i t ht h e s t a b l ec u r r e n to f3 0 u a t h e f a c t o r ss u c ha st h ec h a r g es h a r i n g t h ec l o c kf e e d t h r o u g ha n dt h em i s m a t c ho f c u r r e n t w e r et h o r o u g h l yc o n s i d e r e di nt h i sd e s i g n al o to f m e a s u r e sw c l ea d o p t e dt oi m p r o v e t h ep e r f o r m a n c eo fc h a r g ep u m p ，f o ri n s t a n c e , t h er e p l a c e m e n to fs w i t c ht r a n s i s t o r s w i t ht r a u s m i s s i o ng a t e sa n dt h er e p l a c e m e n to fs i n g l es i g n a ld r i v i n gt h ec h a r g ep u m p w i t ht h ec o m p l e m e n t a r ys i g n a l so f u pa n dd n h e l p e dw i t ht h et o o l so fm a t l a b s i m u l i n k , t h ep o l ea n dz e r oo ft h e2 “o r d e rl p fi n t h i sd e s i g nw e r ec a r e f u l l ya n dp r o m p t l ys e tt om a k et h ep h a s em a r g i no fp l l s y s t e m g r e a t e rt h a n6 0d e g r e e c o m p o s e do f t h ed i f f e r e n t i a ld e l a ys t a g e sw i t hp o s i t i v ef e e d b a c kl o o p s ，t h er j n gv c o c h a r a c t e r i z e di nt h ec e n t e rf r e q u e i l c yo f4 0 0 m h z t h et u n i n gr a n g eo f7 4 a n dt h e p h a s en o i s eo f 1 0 4 9 d b c h za n d - 1 0 9 6 d b c h za tt h eo f f s e t so f 6 0 0 k h za n d1 m h z ， r e s p e c t i v e l y v 1 上海大学硕士学位论文 t h e e r rd i v i d e rc o u l do u t p u t6f r e q u e n c i e sw h i c hw e r es e tb yt h ep a r a l l e li n p u t so f s e l 0 ，s e l la n ds e l 2 m o r e o v e r , as p e c i a ld i v i d e - b y - 3 4d i v i d e rw a sd e s i g n e dt oo u t p u t a l lc l o c k sw i t l l5 0 d u t yc i r c l e n 圮c m o sp l l - b a s e dc l o c kg e n e r a t o rw a sd e s i g n e d a n a l y z e da n ds i m u l a t e du s i n g t h ed e v i c em o d e lo f0 3 5 u mc m o st e c h n o l o g y t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e c l o c kg e n e r a t o rc a l lo u t p u t6f r e q u e n c i e sa n da l m o s ta l lt h ed e s i g ng o a l sw e r e a c h i e v e d k e y w o r d ：c l o c kg e n e r a t o r ：p h a s el o c k e dl o o p c h a r g ep u m pm u l t i m o d ed i v i d e r ： r i n gv o l t a g ec o n t r o l l e do s c i l l a t o r v l i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：日期： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：日期： i i 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 , 1 引言及课题研究的目的 随着通信、数字电视、卫星定位、航空航天和遥控遥测技术的不断发展。对 频率源的频率稳定度、频谱纯度、频率范围和输出频率个数的要求越来越高。为 了提高频率稳定度，经常采用晶体振荡器等方法来解决，但它不能满足频率个数 多的要求，因此，目前大量采用频率合成技术。频率合成器是从一个或多个参考 频率中产生多种频率的器件。它广泛应用于数字通信、卫星通信、雷达、导航、 航空航天、遥控遥测以及高速仪器仪表等领域。 频率合成器的技术复杂度很高，经过了直接合成模拟式频率综合器、锁相式 频率综合器、直接数字式频率综合器( d d s ) 三个发展阶段【1 1 。目前，锁相式频率 合成器因为其较低的实现成本，优秀的噪声性能，在各种应用方案的频率合成器 中广泛使用。 图1 1 可编程时钟发生器之网络路由器时钟应用方案 随着互联网技术的快速发展，网络设备也是层出不穷，现有的网络路由器 交换机系统的时钟必须支持越来越多的连接端口和模块，这个时钟通常由本地晶 体振荡器提供。随着端口数或模块种类的增多，参考时钟的种类和数量也相应增 多。本地晶体振荡器时钟方案使得系统重新配置参考时钟以及进行测试非常困 难，也不适合端口( 或模块) 升级或降级。这就需要一种可编程的时钟发生器，能 上海大学硕士学位论文 够根据模块的需要可输出多种频率的时钟信号，减少本地晶体振荡器的种类和数 量，从而降低网络设备的成本。图1 1 是s o h o 路由器的一种时钟应用方案。 本课题研究主题是用于网络设备的c m o sp l l 时钟发生器，目的是设计出 低功耗、低抖动、可编程的，具有一定应用价值的网络时钟发生器。 1 2 国际国内发展现状与课题研究的意义 时钟发生器是锁相式频率合成器的一个重要应用，生产时钟产品的厂商主 要有美国的a d 、国家半导体、摩托罗拉、m a x i m 、安森美，日本的三菱、富士 通，荷兰的飞利浦等公司。目前市场上适用网络设备的时钟发生器，简要举例如 下： 美国m a x i m 公司生产的锁相式时钟发生器m a x 9 4 8 9 ，2 5 1 3 3 m h z l 0 个单独设 置的频率，多达1 5 路输出多倍频p l l 器件，符合交换机和路由器容限要求的低 抖动( 5 3 p s ( r m s ) ) 、低电源电压( 3 3 v ) 、低功耗( 4 5 m w ) 性能。 c y p r e s s 公司的可编程时钟发生器i c d 2 0 5 3 b ，时钟输出3 9 l z 1 0 0 m h z ， 工作电压5 v ：最大消耗电流5 0 m a ，串行输入改变倍频比。 安森美公司的时钟合成器n b 4 n 5 0 7 a ，时钟输出5 0 2 0 0 m h z ，宽工作电压 ( 3 3 5 v ) ，消耗电流3 5 m a ，周期抖动1 0 p s ( r m s ) ，并行输入改变倍频比。 国内市场对时钟发生器的需求很大，但是，国内研究生产单片时钟发生器的 单位不多，国外产品垄断市场。 从全球来看，随着小型化系统化应用的发展，单独的分频器的市场需求量减 少，而对集成的时钟发生器的需求迅速增加。全球时钟发生器市场市值为1 0 亿美 元，而且预计在今后四年中每年增长2 0 。 综合国内国际的形势，可以确定研究锁相式时钟发生器具有很强的现实意义 和市场价值。 1 3 论文的主要研究工作 本课题主要针对应用于网络设备和机顶盒的时钟发生器进行研究和设计，所 设计的时钟发生器采用电荷泵锁相环频率合成器的结构，其输入参考频率为 2 上海大学硕士学位论文 2 5 m h z ，通过改变调节变频比，可输出多种频率，分别为1 3 3i v n z 、1 0 0m h z 、 6 6m h z 、5 0l v m z 、3 3l 删z 、2 5m h z 。 论文的主要工作有： 1 ) 分析时钟发生器的系统需求，进行整体方案设计 2 1 分析二阶和高阶锁相环的线性模型和性能参数，使用m a t l a b s i m u l i n k 对 系统进行系统仿真，确定系统参数； 3 ) 在电路设计中，为保证电路输出信号的5 0 占空比，设计了半穿透的3 分频器； 4 ) 设计了能够六模分频的后置分频器，实现多频输出； 5 ) 为消除电荷泵的时钟馈通，减小电流毛刺，改进了电荷泵结构； 6 ) 为消除鉴频鉴相器的鉴相死区，增加了反馈回路的延迟环节； 7 ) 在完善各部分电路的基础上，完成电路整体的设计和仿真，各项指标基 本达到预期要求。 1 4 论文内容安排 第一章介绍本课题的设计背景； 第二章主要介绍了锁相环的工作原理，分析了二阶和高阶锁相环的线性模 型和性能参数； 第三章主要确定了时钟发生器的系统结构，使用m a t l a b s i m u l i n k 对系统进 行系统仿真，确定系统参数； 第四章对锁相环时钟发生器的各个组成部分进行电路设计和仿真； 第五章完成锁相环时钟发生器的环路参数设计和系统总体仿真，达成设计 目标； 第六章对课题进行最后总结，阐述了课题设计中存在的不足，和对未来研 究的展望。 3 上海大学硕士学位论文 第二章锁相环及频率合成器 锁相环( p h a s el o c k e dl o o p ) 是一个同步输出信号和输入信号的频率和相位 的系统。在同步状态一即锁定状态时，其输出信号和输入信号的相位差为零或者 保持恒定。锁相环是一种在模拟和数字系统中使用相当广泛的单元结构。 2 1 锁相环的基本原理和分类 锁相环p l l ( p h a s e l o c k e dl o o p ) 是闭环的相位控制系统。锁相环的实现方式 多种多样，通常包括三个基本模块：鉴相器p d ( p h a s ed e t e c t o r ) 、低通滤波器 l p f ( l o w - p a s sf i l t e r ) 和压控振荡器v c o ( v o l t a g ec o n t r o l l e do s c i l l a t o r ) ，如图2 1 所示i l 】【2 1 。 图2 1 锁相环的基本组成 锁相环的基本功能是跟踪输入信号的相位。这一功能是由鉴相器p d 产生一 个与输入信号和v c o 输出信号相位差( 屯一九) 成比例的电压而完成的。这个相 位误差电压通过低通滤波器，抑制了噪声和高频信号成分，并帮助决定环路的动 态性能。经滤波后的相位误差电压调制v c o 振荡频率，而v c o 的输出信号经 过反馈回路重新在鉴相器p d 中与输入信号比较相位。经过这样一个负反馈环使 得v c o 以固定的相位关系跟踪输入信号，此时相位差( 丸一九) 恒定且很小。当 相位差( 九一九) 不再随时间变化时，则定义为环路锁定，因此： 每一警：0 ( 2 1 ) d td t = ( 2 2 ) 所以锁相环可以通过跟踪信号的相位，来获得相位同步和频率跟踪。 4 上海大学硕士学位论文 图2 1 所示锁相环的闭环传输函数为： 耶) = 瑞2 再k 雅e o k v c 。o f a e r ( s ( ) 矿晓3 ) m 折( s )s + k 只伊k 脚吒p ，( s ) 所谓频率合成技术就是将一个( 或多个) 基准频率信号变换为所需频率信号 ( 一个或多个) 的技术。在锁相环路中，利用一个高稳定度和高精度的晶体振荡 器产生基准频率的输入信号，通过锁相环路的锁定技术，在输出端就可以得到大 量与晶体振荡器具有同样稳定度和精度的离散频率的信号。 和基本锁相环路差不多，锁相环频率合成器主要包括：鉴相器p d 或鉴相鉴 频器p f d 、低通滤波器l p f 、压控振荡器v c o 和分频器 n ( 包括前置分频器 p r e s c a l e r ) 【3 】，如图2 2 所示。 图2 2 锁相环频率合成器 图2 2 所示的锁相环锁定后，输出与输入信号频率之间的关系为： 厶2 。厶( 2 4 ) 根据b e s t 的理论，锁相环分为以下四类：模拟或者线性锁相环( l p l l ) 、数 字锁相环( d p l l ) 、全数字锁相环( a d p l l ) 、软件锁相环( s p l l ) 【3 1 。 1 1 模拟或者线性锁相环 模拟或者线性锁相环是锁相环的经典形式，其全部模块都工作在连续的时 域，通常由模拟乘法器构成其鉴相器，比如双平衡的混频器( d o u b l e b a l a n c e d m i x e r ) 或者有源四象限乘法器。环路滤波器可以是有源滤波器，也可以是无源滤波器。 2 1 数字锁相环1 5 】 数字锁相环实际是带有数字鉴相器的模拟锁相环，是一个常用于频率合成 器的数模混合系统。数字分频器是可选用的模块。常见的数字鉴相器包括异或门 上海大学硕士学位论文 ( e x o r ) 、边沿j k 触发器、鉴频鉴相器( p f d ) 。 3 1 全数字锁相环 6 1 全数字锁相环与上述两种锁相环截然不同。其特点是：所有模块都是数字 模块，所有信号都是离散时间信号。传统的压控振荡器( v c o ) 被数字控制振荡 器( d c o ) 所取代。 4 ) 软件锁相环 7 1 软件锁相环可以认为是一种离散时间线性锁相环或离散时间数字锁相环。 描述环路滤波器的典型方式是差分方程，分析和设计的方法是z 变换。软件锁相 环因为在数字信号处理的微处理器方面的应用而得以实现，这个处理器采用哈佛 结构、分离的代码存储器和数据存储器、流水线指令。软件锁相环对计算机硬件 要求较高，但是灵活性大。 2 2 锁相环的组成 鉴相器比较输出相位和输入相位，输出一组逻辑状态，控制电荷泵的开关。 鉴相器是锁相环中的数字部件，其数学模型表示如下式： = 局( 2 5 ) 式中畅是指鉴相器p d 的增益，单位是v r a d , 矿是输入信号相位差。实际上 与之间的关系不可能是线性甚至也不是与妒单调的，而且髟可能与输入信 号的幅度及占空比都有关系。 很多电路都可以用作鉴相器。在混合信号锁相环中主要有四类鉴相器，分别 是乘法器鉴相器( m u l t i p l i e rp h a s ed e t e c t o r ) 、异或门鉴相器( e x o rp h a s e d e t e c t o r ) 、j k 触发器鉴相( j k - f l i p f l o pp h a s ed e t e c t o r ) 和鉴频鉴相器( p h a s e f r e q u e n c yd e t e c t o r ) 引。下面分别介绍其原理和性质： 1 ) 异或门鉴相器( e x o rp h a s ed e t e c t o r ) 异或门鉴相器及其真值表如图2 3 所示。 6 上海大学硕士学位论文 u ooo 1o l 01l llo 图2 3 异或门鉴相器及真值表 分析异或门鉴相器特性，根据逻辑功能，当输入信号严格正交即相差等于 9 0 0 时，输出信号u d 是两倍参考输入时钟频率的方波，占空比等于5 0 ，因为 其高频部分信号将会被环路滤波器过滤掉，所以只需考虑其平均值，如图( 2 5 a ) 虚线所示，其平均值等于两个逻辑电平的算术平均值。此平均值被认为是异或门 的静态点，即记为= 0 ，因此定义此时的相位差= 0 。 u l u 2 u j 中昔o o o u 。门r 厂 厂 厂 u ：r r n 厂 u 用同时酮 而酮渤 图2 4 异或门鉴相器的输入输出波形图( a ) 相位差a 矿= 0 时的波形图 ( b ) 相位差 0 时的波形图 7 上海大学硕士学位论文 当一万2 a g t t r 2 时，瓦正比于于妒，且其相互关系可以表示为 石；髟卸一( 2 6 ) 如上所述，式中髟是指鉴相器p d 的增益，单位是w r a d ，是输入信号 相位差，畅在此区间内是常数k d = 以t r ，吒为信号幅度。同理可以得出区间 一石 妒 - 万2 和万，2 万内万与之间的线性关系，画出异或门鉴相器 的鉴相特性如图2 5 所示。 l i d ok d r ： 、一一 7 。弋么 k d 兀， 图2 5 异或门鉴相器的鉴相特性 异或门鉴相器具有三角形鉴相特性。其鉴相灵敏度即鉴相特性的斜率为： k d ：堡( 2 7 ) 疗 当异或门鉴相器的输出信号电平达不到电源轨而在某一电平下饱和时，比 如高电平饱和于【o + ，低电平饱和于l o 一，则此时局为 k d ：i 坠( 2 8 ) 万 当相位差位于区间- l r 2 k q j置 q 幺一。 1oxl olxo o0见见 l1 图2 6j k 触发器鉴相器及真值 图2 7 - a 所示为j k 触发器鉴相器在相位差矽；0 时的波形图，图2 7 _ b 是相 位差 0 时的波形图。类似于异或门鉴相器的定义，当输入的两路信号严格反 相时，鉴相器的瓦为输出电平幅值的一半，记为瓦= o ，此时的输入信号相位 差记为矿= o 。当输入相位差位于区间万 矿 0 时的波形图 9 上海大学硕士学位论文 u f k d x 7 , r i - 一一7 t 一。 l 一影 u i ( p i 7 刁忍万“ 图2 8j k 触发器鉴相器的鉴相特性 j k 触发器鉴相器的鉴相特性如图2 8 所示，其鉴相灵敏度即鉴相特性的斜 率为： k d ：当( 2 1 0 ) 2 石 当j k 触发器鉴相器的输出信号幅度达不到电源轨而在某一电平下饱和时， 比如高电平饱和于【，二+ ，低电平饱和于c ，埘一，则此时髟为 k d ：坠坠( 2 1 1 ) 2 f f 、 当相位差位于区间一7 1 o ；当u 1 滞后u 2 时，u p 端输出为0 ，d n 端输出有高低电平，瓦 o 。有电平输出端的平均直流电压为： 万= 去f 譬影= 鲁卸( 2 1 2 ) 畅= 等= 鲁( 2 - l o ) 式中【，擀为信号幅度。鉴相特性曲线如图2 i i 所示，此鉴相器具有锯齿型鉴 相特性，线性区域为一2 ，r 一2 z 之间。 上海大学硕士学位论文 u l 。 c t l 2 e 7 一 7 z o2 f a 一 一k 以e 图2 1 l 鉴相特性曲线 鉴频特性 根据鉴频鉴相器的结构图可知p f d 有如下三种工作状态 ( a ) 充电状态，u p = l ，d n = 0 ，状态标志为“+ 1 ” ( b ) 放电状态，u p = 0 ，d n = l ，状态标志为“一1 ” ( c ) 保持状态，u p = 0 ，d n = 0 ，状态标志为o ” 其状态转换图如图2 1 2 所示。 。厂， ju j 图2 1 2 p f d 状态转换圈 实际上还有第四个状态( 即u p 、d n 同时为1 ) 被p f d 中的与非门禁止了， 当u p 、d n 同时为l 时，触发器被清零，直接进入状态“0 ”。p f d 实际上是三稳 态器件。 p f d 还有鉴频的特性。当p l l 失锁，假设参考输入频率q 比输出频率哆高， u 1 信号单位时间内比u 2 产生更多的正边沿，如图2 1 2 所示，p f d 在此情况下 只在o ，和“1 ，状态间转换，而不会进入状态“一1 ”。如果q 远大于呸，则p f d 绝 1 2 上海大学硕士学位论文 大部分时间都在状态“+ 1 ”。相反当q 小于鸭，p f d 则只在状态o 和“一l ” 间转换，而不会进入状态“+ 1 ”。如果q 远小于仍，则p f d 绝大部分时间都在 状态“一l ”。所以得出这样的结论，当p l l 失锁时，以的平均值仅仅随着频率差 a a o = q m ：变化，这也即是鉴频鉴相器的由来，异或门鉴相器和j k 触发器鉴相 器没有上述这种性质。使用p f d 的锁相环可以在任何情况下锁定，不论后接哪 一种环路滤波器，因此p f d 广泛应用于各类锁相环中。 2 2 2 环路滤波器( l o wp a s sf i l t e r ) 环路滤波器主要是过滤p f d 输出端的高频噪声，并产生以一控制电压来控 制后端的压控振荡器，滤波器大致可以分为有源与无源两类。图2 1 3 列举了几 个常用的滤波器类型的电路、幅频伯德图及传递函数。 类型电路伯德图传递函数 & i ，驯 无源 叫竹e 1 1 + ，f l 工。 国 无源 圳冬 i f u 圳。 兰f 1 + j c o r 2 1 + j o ) ( r i + f 2 ) 工 一、国 p u 国i 。 l ! 竺垒 j c o r l 有源 拶 1 1 一 。口 防u 国) l 瓦( 1 + 弘f t 2 ) 1 1 一 1 + j c o ( r i + f ：) 有源 撕伊甙 - 国 图2 1 3 常用的滤波器类型 上海大学硕士学位论文 其中f 1 = 置c ，f 2 = 足c ，g t i = 墨c l ，l 1 2 = 疋c 2 ，k o = q g 。 2 2 3 压控振荡器( v o l t a g ec o n t r o lo s o l l a t o o 压控振荡器利用改变输入控制电压来调节输出信号频率，是锁相环与频率合 成器中的关键部件。理想v c o 及特性如图2 1 4 所示： 图2 1 4 理想v c o 及特性 由图2 1 4 可知： = 惫老( 删吼( 2 1 1 ) 其中，k v c o3 黾v c o 电路的增益，矗代表：0 时的频率。由式( 2 1 1 ) 可 以推出 厶= 石+ 墨口( 2 1 2 ) 其传递函数为 譬( s ) ：2 7 r k v c o ( 2 1 3 ) y j 振荡器发展到现在，具有很多种类。主要有环形振荡器( r i n go s c i l l a t o r ) 、 电感电容振荡器r ( l co s c i l l a t o r ) 、晶体振荡器( c r y s t a lo s c i l l a t o r ) 、驰豫振荡器 ( r e l a x a t i o no s c i l l a t o r ) 1 8 】以及电阻电容振荡器( r co s c i l l a t o r ) 。在种类繁多的振荡 器中，锁相环系统中广泛应用的压控振荡器是环形压控振荡器、电感电容压控振 荡器和压控晶体振荡器。 上海大学硕士学位论文 电感电容压控振荡器利用电感电容谐振的原理，产生一个很高的振荡频率 ( 几个到几十个g h z ) ，这类振荡器可应用于高频电路中，优点是结构简单，电 路性能稳定，产生的相位噪声小。缺点是电路调节范围小，芯片占用面积大，片 上电感的性能对工艺的依赖性大。由于高品质因素的片上电感的难以实现，所以 这类振荡器电路设计的关键是提高谐振电感的q 值。 压控晶体振荡器( v c x o ) 【9 1 是一种可通过调整外加电压使晶振输出频率随 之改变的晶体振荡器。压控晶体振荡器具有很高的频率稳定度和精度，频率稳定 度在0 7 0 c 范围内一般可达+ 2 0 1 0 0 p p m ，频率的精确度可达到士o 0 0 1 左右， 故广泛应用于集成电路和便携式产品中。这类振荡器的缺点是输出频率的可调范 围非常狭窄，一般而言范围在数十至几百p p m 之间，主要用于锁相环路或频率 微调。压控晶振的频率控制范围及线性度主要取决于电路所用变容二极管及晶体 参数两者的组合。 环形压控振荡器的工作原理是使用奇数级延迟缓冲器或者偶数级差分延迟 缓冲器，构成一个闭环系统，当整个环路的相位差达到3 6 0 度时，则会导致振荡。 因为其具有占用面积少、集成度高、调节范围宽、便于实现的优点而广泛应用于 集成电路中。这类电路的缺点是输出信号的相位噪声大。 衡量压控振荡器性能的主要有以下几个参数【4 j 。 1 ) 调节范围： 主要由两个参数支配。其一是随工艺和温度变化的v c o 的中心频率， 其二是应用要求的频率范围。调节范围、噪声性能、v c o 的增益墨，c d 之 间相互关联，因为要使v c o 中的噪声效应减到最小，则墨，c o 必须最小， 这与所需的调节范围直接矛盾。 2 ) 调节线性度： v c o 的调节特性表现出非线性，也就是增益墨，c d 不是常数。实际的振 荡器特性通常是中部是高增益区，两端是低增益区。 3 ) 输出振幅： 输出振幅越大，对噪声越不敏感。振幅的增加可以通过牺牲功耗、电源 电压甚至调节范围得到，反之亦然。 1 5 上海大学硕士学位论文 4 ) 功耗：振荡器受速度、功耗和噪声之间折中的限制。 5 ) 电源与共模抑制比 回输出信号纯度： 振荡器中的电源噪声和电子噪声使输出相位与频率含有噪声，相位噪声 ( 抖动) 是衡量振荡器性能的重要指标。 ： 2 2 4 分频器( d i v i d e r ) 在频率合成器( 图2 2 ) 中，分频器位于压控振荡器v c o 与鉴频鉴相器p f d 之间，通常p f d 频率较v c o 工作频率低得多。分频器的作用就是将v c o 的频 率降低到p f d 频率附近，以便在p f d 内与基准频率比较相位，利用其所产生的 误差信号控制v c o 的频率。当环路锁定后，v c o 的频率为基准频率的整数倍， 即 厶= ( 2 1 3 ) 2 2 5 电荷泵( c h a r g ep u m p ) 电荷泵是将鉴频鉴相器输出的逻辑信号转化为控制压控振荡器的模拟信号 的一种功能电路 l o l 。如图2 1 5 所示，鉴频鉴相器比较参考输入信号和v c o 输出 信号的相位差，输出相应的u p 和d n 脉冲信号，驱动电荷泵的开关管来控制充 放电电流。当u p 为高电平时，打开s w l ，则电流i p 流入后接电路f ( s ) ，反之 当d n 为高电平时，将从后接电路中吸取电流i p 。系统规定u p 、d n 不能同时 为高电平。通过改变后接电路的电荷( 电流) ，形成控制电压来调制v c o 的振荡 频率，就是电荷泵的工作原理。 1 6 上海大学硕士学位论文 v r e f v m f s ) 图2 1 5 电荷泵原理图 2 3 电荷泵锁相环系统的数学模型及噪声分析 电荷泵锁相环c p - p l l ( c h a r g ep u m pp l l ) 是频率合成器中常用的一种结 构，不但具有较大的频率捕捉范围，而且可以获得较高的性能【】，其结构与图 2 2 所示的锁相环的差别在于低通滤波器”f 前加了一个电荷泵c p ( c h a r g e p u m p ) 。以下内容将详细分析二阶电荷泵锁相环和三阶电荷泵锁相环的数学模 型。 2 3 1 二阶锁相环系统 锁相环的阶数的划分是依据其传递函数中分母的阶数来确定的。二阶电荷 泵锁相环系统的结构如下图2 1 6 所示。 图2 1 6 二阶电荷泵锁相环系统的结构图 1 7 上海大学硕士学位论文 以下定量分析鉴频鉴相器( p f d ) 、电荷泵( c p ) 和低通滤波器( l p f ) 组 成的系统的数学模型。如图2 1 7 所示，v c 是低通滤波器的输出信号，v r e f 是参 考输入时钟，v b 是分频器输出的反馈信号，q 1 、q 2 是p f d 输出的u p 信号， 电荷泵对c p 的充放电电流为厶。相差为a o 时，每一周期v c 的变化量为 ( z p + ) ( 2 石c 。) ，当相差增加为原来的两倍即2 a o 时，每一周期v c 的变化 量，也准确的变为原来的两倍，即圪，= 2 a 圪。 q t lli翔 nn nn 图2 1 7p f dc p 系统的阶跃响应 斟n 焉等 批t 等 严格的讲，系统不是线性的，当用图中虚线鄙分的斜线近似输出波形时， v c 与之间近似为线性关系。设仁o 时刻，v f b 的相位阶跃了m o ，也就是 o = o o “( f ) 。v c 可以近似表示为： 哪) 2 彘细叫( f ) ( 2 1 3 ) 由拉普拉斯变换，得出传输函数为 志= 去 堆 上海大学硕士学位论文 为 由于o ) = 屹+ c ，所以 去( 沪去( 2 1 5 ) 对于二阶电荷泵锁相环，其低通滤波器( l p f ) 为一阶r c 结构，传递函数 老2 巧+ 虿1 ( 2 1 6 ) 根据上述近似原理，二阶电荷泵锁相环的p f d c p l p f 系统的传输函数可以 修正为 岳= 去+ 2 石i pq + 考亿 由此得出锁相环的前导传递函数 鲁= 去c 巧去，挚删s ， 设分频器的分频比为n ，则有 舳卸m 一号( 2 1 9 ) 故锁相环的闭环传递函数为 簪( 彤印+ 1 ) 用萨挚。乏蠢亿z n c # v 根据自动控制理论【1 4 1 ，对于二阶负反馈闭环系统，其自然频率国k 和阻尼系数孝 分别为 2 孝：生2 v 豆n 匿( 2 2 2 ) 1 9 上海大学硕士学位论文 2 3 2 三阶锁相环系统 二阶锁相环有明显不足，因为电荷泵驱动的是r p 和c p 的串连组合，所以 每次向环路滤波器注入电流时，控制电压都会经历一个大的跳动，即使是在锁定 条件下，充放电电流的不匹配，以及电荷泵开关的电荷分享和时钟馈通，都会在 v c 上引起电压跳动，所以导致的纹波严重干扰了v c o ，从而损坏了输出相位。 为缓解这个问题，通常引入第二个电容c 2 ，它与r p 和c p 并联( 如图2 1 8 所示) ， 以消除v c 上的纹波。缺点是使得锁相环变成三阶系统，产生稳定性问题。通常 保持c 2 的大小约为c p 的1 5 到1 1 0 3 1 4 1 ，闭环的时间和频率响应就保持不变。 图2 1 8 三阶电荷泵锁相环系统的结构图 对于= 彤r 电荷象锁相环，兵低通滤波器( l p f ) 为一阶r c 结构，传递函 数为： 毒也+ 寺印l _ l = k 叩$ 仁+ ( d z ) ( 2 2 3 ) “钿 其中巧为其低频增益，哆为其零点，为其并联小电容后产生的极点，分 别表示为如下： 置r ；姜冬( 2 2 4 ) j c ，+ c 2 、。 哆：击( 2 2 5 ) 哆2 i 万+ 2 上海大学硕士学位论文 q = 乏豢= o + 净脚， 由此得出三阶电荷泵锁相环的开环传递函数 k 2 毕慧 由上述方程可知这是一个型三阶系统，为使系统稳定，必须将单位增益 频率设计在零点与极点之间，且零点必须小于极点，这样系统才能稳定。设单位 增益带宽为q ，且实际应用中容易满足条件吃敛0 b p ，求解方程 ig ( s ) 。鲫l _ 1 ( 2 2 8 ) 可以近似求出 q = z , 1 k ：f k m o ( 2 2 9 ) 根据式( 2 2 7 ) ，开环传递函数的相位可以表示为 么妒( 缈) ：t a n 一1 旦一1 8 0 。一t a l l 一1 旦( 2 3 0 ) n01 其相位裕度( p h a s em a r g i n ) 的表达式如下 p a l ：t a n 一1 生一t a i l l 堕( 2 3 1 ) z p 当开环的相位裕度越大，系统就越稳定，但系统的反应时间就会越长。为使 相位裕度最大，即系统工作于单位增益带宽时，p m 取得极大值，即 上上 丝k鬲a5一鬲topda i o 聊) “嗥1 + ( 竺) 21 + ( 笠) 2 7 m z 伪p 可以得到哝与哆，的关系 纹2 吐( 2 3 3 ) 定义另一个参数y ( ，1 ) ，：竺：生 吐嗥 2 l 上海大学硕上学位论文 所以p m ：t 8 n - 1y _ t a l l l 三。( 2 3 5 ) ， p m 在，1 时是严格增函数，由下图2 1 9 可知，当y 1 8 时，相位裕度即大 于6 。度。参数，受吐和哆大小的限制，即y 毒。为取得足够大的相位裕度， 应将哆哆设定为一个合理的比值 5 5 卯 4 5 l 。 “一 一 ， ， x 1 矗 v 硝 02 04 0即印1 f l o g a m m a 图2 1 9 相位裕度曲线 因为百c p = ，2 1 ，所以乏的大小影响相位裕度的大小，应该合理设定电容 的大小。系统的闭环传递函数为： 邵m 嵩= 而等篆瓮丽g ，6 ， 2 3 3 环路噪声分析 电荷泵锁相环的主要噪声源包括外部参考时钟输入噪声、v c o 内部噪声、 鉴频鉴相器和电荷泵噪声、环路滤波器的输出等效电压噪声及分频器噪声。以下 对这几种噪声源的性质和影响分别加以定性分析。 上海大学硕士学位论文 外部参考时钟输入噪声源通常由参考时钟的晶振产生。晶体谐振器的噪声的 大小主要取决于晶体本征损耗的高低，即q 值的大小。通常晶体采用a = r 切割方 式，其谐振频率f 与q 的乘积为一常数( 式2 3 7 ) 1 5 1 。所以若要求q 值高，则 晶振工作频率不能太高，但是工作频率太低，晶体尺寸又太大。 z q 2 l 5 x 1 0 1 3 ( 2 3 7 ) 环形v c o 产生的噪声包括1 f 噪声、热噪声、电源噪声。前两种是器件固 有的噪声，而电源噪声不是。l f 噪声产生偏离振荡频率的边带，构成低频抖动， 因为p l l 对于v c o 噪声相当于一高通滤波器，1 f 噪声引起的抖动能被p l l 稍 微抑制，另外，热噪声和电源噪声有较宽的噪声带宽，构成高频抖动。特别是电 源噪声通常表现出非白噪声谱密度，常常在不同频率处出现很高的峰值。 环路滤波器的输出电压即v c o 的控制信号应该尽可能干净，然而一些噪 声源能污染控制信号从而使输出时钟产生抖动