（电路与系统专业论文）应用于oc192标准的锁相环倍频器设计.pdf

摘要 摘要 近年来，光纤通信已经广泛应用于高速率、大容量的数据传输中。o c n 标准定义了一系列可以 在s o n e t 上传输的数字信号，其中o c 1 9 2 标准的速率达到了1 0 g b p s 。 光纤通信发射机中的复接器需要一个倍频器单元提供时钟信号，对于使用了半速率结构的复接 器，倍频器只需要提供一个频率为工作速率一半的时钟信号。本次设计就是这样一个使用于o c 1 9 2 标准发射机中的倍频器，其作用就是把6 2 5 m h z 的信号八倍频到5 g h z 左右。为了满足多种标准， 倍频器还需达到4 8 g h z - 5 8 g h z 的跟踪范围。 本次设计使用s m i c0 1 8 p r oc m o s 工艺，与b j t 或者s i g e 工艺相比，c m o s 工艺的截止频率 较低，l f 噪声也要大很多，所以性能上要差一些。但是c m o s 工艺的优势在于易于和数字部分整 合，如果工作速率不高，则可实现较低的功耗，而且和其他工艺相比制造成本也是最低的。 本次设计使用电荷泵锁相环结构。由于输入参考频率较高，所以设计中特别注意到鉴频鉴相器 和电荷泵的高速性能。使用了t s p c 结构的d 触发器和伪n m o s 逻辑的或非门构成鉴频鉴相器，缩 短了反馈信号延时。屯荷泵使用了改进的电流舵结构，利用正反馈原理来加速开关的切换，工作速 率大大提高。 环路的跟踪范围要求压控振荡器的输出频率范围要在所有工艺角下都能覆盖4 8 g h z - 5 8 g i - i z ， 而且要有好的噪声性能，这也是本次设计的一个难点。压控振荡器在简单c m o s 反相器链的基础上 使用正反馈加快电平切换速度来减小噪声，使用延时偏移环路使p m o s 管的状态提前变化，大大提 高了c m o s 反相器链的最高振荡频率。后仿真显示，该结构的环振不仅具有很大的调节范围，还有 较低的相位噪声。 0 1 8 t t m 的工艺的电源电压为1 8 v ，一些传统的高速结构如s c f l 结构难以应用，所以分频器的 设计在考虑到高速性的同时，还要能够应用在较低的电源电压( 1 8 v ) 下。八分频器由三级二分频器 级连组成，其中前两级的工作频率较高，使用了伪差分结构的触发器，第三级工作频率较低，使用 了准静态结构。后仿真显示，该八分频器在工作频段附近有着很高的分频灵敏度。 整个环路的后仿真显示，该环路在所有工艺角下都可以覆盖4 8 g h z - 5 8 g h z 。文章还对于环路 中每个模块的相位噪声性能进行了仿真和分析，并估计了环路锁定后输出时钟信号的噪声。 最后，测试显示环路可以正常锁定，但是由于工艺角的原因v c o 整体频段下移，而且环路的 相位噪声较大，在进一步的工作中还有很大的改进余地。 【关键字】 o c 1 9 2 ：锁相环倍频器；鉴频鉴相器；电荷泵：压控振荡器；环路滤波器；相位噪声； a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s , o p t i c a lc o m m u n i c a t i o nh a sw i d e l yu s e di nh i g hs p e e da n dl a r g ec a p a c i t yd a t a t r a n s p o r t o c - ns t a n d a r dd e f i n e ds e r i e so fd i g i t a ls i g n a l sw h i c ht r a n s m i t t e do ns o n e t , o c 一19 2s t a n d a r d c a nr e a c ha10 g b p ss p e e d m u l t i p l e x e r ( m u x ) i nt h eo p t i c a lt r a n s m i t t e rn e e d sac l o c ks i g n a l ，w h i c hi ss u p p l i e db yaf r e q u e n c y m u l t i p l i e r w h a tw ed e s i g n e di ss u c haf r e q u e n c ym u l t i p l i e r b e c a u s et h em u x i sah a l f - r a t es t r u c t u r e ，o n t h i sp r e m i s e ，t h ef r e q u e n c ym u l t i p l i e ri su s e dt om u l t i p l yac l o c ko f6 2 5 m h zt oa5 g h zo n e ，i no r d e rt o s a t i s f yas e r i e so fs t a n d a r d s ，i tm u s th a v ea4 8 g h z - 5 8 g h zt r a c er a n g e t h i sd e s i g nu s e ds m i c0 18 1 l l mc m o s p r o c e s s c o m p a r e dw i t hb j to rs i g e ，c m o sh a sal o w e rf t ， a n dam u c hh i g h e r1 fn o i s e c m o sh a saw o r s ep e r f o r m a n c et h a nt h eo t h e rt w o b u tt h ea d v a n t a g ei s t h a ti t se a s yt oi n t e g r a t ew i t hd i g i t a lc i r c u i t , i nal o ws p e e da p p l i c a t i o n ，t h ep o w e ri sa l s ov e r yl o w a tl a s t , t h ep r i c ei st h el o w e s t t h i sd e s i g nu s 舒c h a r g ep u m pp h a s e - l o c k e dl o o p b e c a u s et h er e f e r e n c ef r e q u e n c yi sr e l a t i v e l yh i g h ， s ot h eh i i g hs p e e dp e r f o r m a n c eo fe a c hm o d u l em u s tb ep a ys p e c i a la t t e n t i o nt o p f du s e st w ot s p cd f l i p - f l o p sa n dap s e u d o - n m o sn o rg a t e ，w h i c hm a k et h ef e e d b a c kd e l a ys h o r t e r t h ec h a r g ep u m pu s e s a ni m p r o v e dc u r r e n t - s t e e r i n gs t r u c t u r e ，w h i c ha p p l i e sap o s i t i v ef e e d b a c kt oa c c e l e r a t et h es w i t c hs p e e d , s o t h es p e e do fc h a r g ep u m pi sm u c hh i g h e r t h et r a c ep e r f o r m a n c eo ft h el o o pr e q u i r e st h a tt h eo u t p u tf r e q u e n c yr a n g eo fo s c i l l a t o rm u s tc o v e r 4 8 g h z - 5 8 g h z , a l s ot h eo u t p u tc l o c ks h o u l dh a v eag o o dp h a s en o i s ep e r f o r m a n c e v c ou s e sas t r u c t u r e o fi m p r o v e dc m o si n v e r t e r , w h i c ha p p l i e sap o s i t i v ef e e d b a c kt o i m p r o v es w i t c hs p e e d ，a p p l i e sa d e l a y s k e w e ds t r u c t u r et oc h a n g et h ep m o ss t a t ei na d v a n c e t h e s em e t h o d sc a nr e d u c ep h a s en o i s e s i g n i f i c a n t l ya n dh a v eah i g h e rm a x i m u mo u t p u tf r e q u e n c y p o s t - s i m u l a t i o ns h o w st h ea d j u s tr a n g ei s m u c hw i d e ra n dt h ep h a s en o i s ei sr e l a t i v e l yl o w t h es u p p l yv o l t a g eo fo 18 p r op r o c e s si s1 8 vs os o m ec o n v e n t i o n a lh i g h s p e e ds t r u c t u r e ss u c ha s s c f la 佗d i f f i c u l tt oa p p l y s ot h ef r e q u e n c yd i v i d e rm u s tw o r ka th i g hs p e e da n dal o ws u p p l yv o l t a g e t h ed i v i d e d - b y 8f r e q u e n c yd i v i d e ri sc o m p o s e do ft h r e ec a s c a d e dd i v i d e d b y - t w of r e q u e n c yd i v i d e r s t h e f i r s tt w os t a g e so p e r a t ea th i i g hs p e e d ，的u s e dap s e u d o - d i f f e r e n t i a ls t r u c t u r e ，t h et h i r ds t a g eu s e da q u a s i s t a t i cs t r u c t u r e t h ep o s t - s i m u l a t i o ns h o w st h i sf r e q u e n c yd i v i d e rh a sah i i g hs e n s i t i v i t ya tt h e o p e r a t i o nf r e q u e n c y t h ep o s t - s i m u l a t i o ns h o w st h el o o pc a nc o v e r4 8 g h z - 5 8 g h zr a n g ea te v e r yp r o c e s sc o r n e r t h e p h a s en o i s eo fe a c hm o d u l ei ss i m u l a t e da n da n a l y z e d ，t h ep h a s en o i s eo ft h eo u t p u ts i g n a li s a l s o e s t i m a t e di nt h i sp a p e r a tl a s t , t e s ts h o w st h ep l lc a nl o c kw e l l ，b u tt h ew h o l ef r e q u e n c yb a n di sl o w e rd u et ot h ep r o c e s s c o r n e r t h ep h a s en o i s ei sn o ts og o o d ，s ot h e r ei sm u c hr o o mf o ri m p r o v e m e n ti nt h ef u t u r ew o r k s k e y w o r d s o c - 19 2 ；p l lf r e q u e n c ym u l t i p l i 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 ep u m p ；v o l t a g ec o n t r o l l e d o s c i l l a t o r ；l o o pf i l t e r ；p h a s en o i s e i 插图 插图 图i - 10 c - 1 9 2 收发机结构2 图1 - 2c | l u 单元结构2 图2 - 1 基本锁相环结构5 图2 2 跹积分滤波器6 图2 3 无源比例积分滤波器6 图2 - 4 有源比例积分滤波器7 图2 5 鉴相器输出的差拍波8 图2 _ 6 二阶一型环路的同步带，捕获带和快捕带8 图2 - 7 基本电荷泵锁相环结构9 图2 - 8 模拟乘法器的工作原理和鉴相特性曲线9 图2 - 9 异或门鉴相器的工作原理和鉴相特性曲线1 0 图2 一1 0r s 触发器鉴相器的工作原理和鉴相特性曲线1 0 图2 - 1 1 鉴频鉴相器的工作原理和特性曲线1 1 图2 - 1 2 基本的电荷泵1 2 图2 - 1 3 相位超前滤波器结构和开环波特图1 3 图2 - 1 4 电压跳变一相位超前滤波器的非理想特性1 3 图2 - 1 5 三阶环路滤波器1 4 图2 - 1 6 简单反馈系统结构1 4 图2 - 1 7 环形振荡器( 左) 和l j c 振荡器( 右) 1 5 图2 - 1 8 环形振荡器的稳定输出波形1 5 图2 - 1 9 振荡器的限幅特性1 5 图2 2 0 振荡回路上产生的相位噪声( 左) 控制通路上产生的相位噪声( 右) 1 6 图2 - 2 1 振荡器输出信号的功率谱1 7 图2 2 2i j c 振荡器的i s f 函数( 左) 环形振荡器的i s f 函数( 右) 1 8 图2 - 2 3 控制端上的噪声对压控振荡器的调频作用1 9 图2 - 2 4 带有分频器的电荷泵锁相环结构1 9 图2 - 2 5 注入锁定分频器2 0 图2 - 2 6 由两个d 锁存器组成的数字分频器2 0 图2 - 2 7 锁相环相位噪声传递线性化模型2 l 图2 - 2 8 电荷泵产生电流噪声的闭环传递特性2 2 图2 2 9 压控振荡器相位噪声的闭环传递特性2 2 图3 - 1 本次设计的锁相环倍频器结构2 5 图3 - 2 死区的产生2 5 图3 - 3 加入固有脉冲消除鉴相死区2 6 图3 4 鉴频鉴相器的结构2 7 图3 5 两路输入信号无相位差时的鉴频鉴相器输出固有脉冲2 7 图3 6 两路输入信号有相位差时的鉴频鉴相器输出2 8 图3 7 几种典型结构的电荷泵2 8 图3 8 电流舵型电荷泵2 9 图3 - 9 加快p m o s 管切换的方法3 0 图3 一1 0 改进型电荷泵i 3 0 图3 一l l 改进型电荷泵i i 3 l 图3 一1 2 完整的电荷泵电路3 l 图3 1 3 电荷泵充电瞬态仿真3 2 图3 一1 4 电荷泵放电瞬态仿真3 2 l 东南大学硕士学位论文 图3 - 1 5 负阻调节振荡器的延时环节3 3 图3 - 1 6 差值法电路示意图3 3 图3 - 1 7 差值法电路的具体实现3 3 图3 一1 8 “差值法”环形振荡器的后仿真相位噪声3 4 图3 - 1 9 “差值法”环形振荡器的后仿真压控特性曲线3 4 图3 - 2 0 饱和环振工作时的噪声3 5 图3 - 2 1 利用正反馈的刚o s 对管来加快转换速度3 5 图3 - 2 2 延时偏移单元3 6 图3 2 3 延时偏移( s k e w e d d e l a y ) 单元对于输入方波信号的响应3 6 图3 - 2 4 由延时偏移环节组成的环形振荡器3 6 图3 - 2 5 本次设计中使用的振荡器延时环节3 7 图3 - 2 6 本次设计中使用的振荡器一3 7 图3 - 2 7 振荡器的相位噪声后仿真曲线3 8 图3 - 2 8 振荡器的压控特性曲线3 8 图3 - 2 9s c f l 结构的锁存器3 9 图3 - 3 0 伪差分结构的锁存器4 0 图3 - 3 1 基本锁存单元( 左) 和它的等效电路图( 右) 4 0 图3 - 3 2 开关控制型锁存器4 l 图3 - 3 3 准静态结构的锁存器4 1 图3 - 3 4 准静态锁存器构成的分频器4 l 图3 - 3 5 八分频器的结构4 2 图3 - 3 6 八分频器的瞬态后仿真4 2 图3 - 3 7 二阶无源滤波器和三阶无源滤波器4 3 图3 - 3 8 含有二阶滤波器的电荷泵锁相环频响曲线4 4 图3 - 3 9 环路线性模型的频响曲线钙 图3 - 4 0 输入缓冲部分4 9 图3 - 4 1 输出缓冲部分4 9 图3 - 4 2v c o 的辅助启动电路5 0 图4 - i 闩锁效应示意图5 2 图4 - 2 环路振荡器版图5 3 图4 _ 3 版图的布局示意图5 3 图4 - 4 芯片版图5 4 图4 - 5s si 艺角下、7 2 5 m h z 输入参考频率时的后仿真控制电压曲线和输出时钟波形5 5 图4 - 6s s 工艺角下、7 2 5 m h z 输入参考频率时的后仿真控制电压细节5 5 图4 - 7f fi 艺角下输入频率为6 0 0 m h z 时的控制电压瞬态曲线5 6 图4 - 8 锁相环稳定后的输出时钟信号细节5 6 图4 - 9s s 工艺角下的芯片瞬态电流仿真曲线5 7 图4 - 1 0 压控振荡器的相位噪声等效到输出端的频谱5 7 图4 - 1 1 鉴频鉴相器和电荷泵的相位噪声仿真5 8 图4 - 1 2 鉴频鉴相器和电荷泵的等效到输出端的相位噪声5 8 图4 - 1 3 分频器的相位噪声仿真5 9 图4 - 1 4 分频器噪声等效到输出端的噪声频谱5 9 图4 - 1 5f f t 分析得到的环路输出信号频谱6 0 图5 - i 测试得到的压控特性曲线6 2 图5 - 2 压控振荡器的相位噪声曲线6 2 图5 - 3 压控振荡器的输出频谱6 3 插图 图5 - 4 锁相环锁定时的相位噪声6 3 i 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：璺驻乞 e l期： 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：量磊坌导师签名： 日期：兰翌! ! ：望： 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1s o n e t 简介及o c 1 9 2 收发机的结构 电信网的高速数据量要求在更高速率的链接上传输a t m 数据，现在几乎所有的骨干网络都已经 使用a t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) o v e rs o n e t ( s y n c h r o n o u so p t i c a ln e t w o r k s ) 的连接来实现路 由器之间的高速数据传输。s o n e t 是对于a n s it 1 1 0 5 ，a n s it 1 1 0 6 ，a n s it i 1 1 7 标准规定的光纤 网络定义的一套数据速率和格式的标准。国际电话电报咨询委员会( c c i t t ) ( 现i t u t ) 于1 9 8 8 年 接受了s o n e t 概念并重新命名为s d h ，使其成为不仅适用于光纤也适用于微波和卫星传输的通用 技术体制。它可实现网络有效管理、实时业务监控、动态网络维护、不同厂商设备问的互通等多项 功能，能大大提高网络资源利用率、降低管理及维护费用、实现灵活可靠和高效的网络运行与维护， 因此是当今世界信息领域在传输技术方面的发展和应用的热点，受到人们的广泛重视。 光纤的低损耗和高带宽性能决定了它是电信和数据通讯最好的传输媒介。表1 1 列出了o p t i c a l c a r r i e r ( o c - n ) 包含的几种标准。o c n 标准定义了一系列可以在s o n e t s d h 上传输的数字信号，其中 n 的值和该标准下数据传输的比特率成正比。该标准在不同的系统上使用时被称为s t s 和s t m 标准。 其中，o c 7 6 8 标准的传输速率可以达至t j 3 9 8 1 3 1 2 m b p s ，支持该标准的芯片在2 0 0 3 年的i s s c c 上出现。 本论文介绍了一种应用于o c 1 9 2 标准发射机中的频率合成器的设计。 表1 1s d h s o n e t 定义的标准 o p t i c a ll e v e l e l e c t r i c a ll e v e ll i n er a t e ( m b p s )s d he q u i v a l e n t o c 1s t s 15 1 8 4 0 o c 3s t s 31 5 5 5 2 0s t m 1 x o c 1 2s t s 1 2 6 2 2 0 8 0s t m - 4 x o c 2 4 s t s 2 41 2 4 4 1 6 0s t m 8 x o c 4 8s t s 4 82 4 8 8 3 2 0s t m 1 6 o c 1 9 2s t s 1 9 2 9 9 5 3 2 8 0s t m 6 4 o c 7 6 8 s t s 7 6 83 9 8 1 3 1 2 0s t m 2 5 6 图1 1 是o c 1 9 2 标准的收发机结构。在发射端，1 6 路6 2 2 m b p s 的数据信号进入复接器，在 c m u ( c l o c km u l t i p l i e ru n i o 产生的时钟信号和分频器的作用下，这1 6 路信号被合成为一个1 0 g b p s 速 率的串行信号流。该信号流经由激光驱动器被放大，驱动激光二极管，然后通过光纤网络传输到接 收机。而接收机收到数据信号以后，先是通过t i a ( t r a n s i m p e d a n c ea m p l i f i e r ) 和l a ( l i m i t e ra m p l i f i e r ) 进行放大，然后利用c d r ( c l o c ka n dd a t ar e c o v e r y ) 和分接器电路把1 0 g b p s 的串行数据分接成1 6 路 6 2 2 m b p s 的并行数据流。 图中灰色的模块c m u 就是本论文中研究的对象。 东南大学硕上学位论文 图1 1o c 1 9 2 收发机结构 1 2c m u 的结构及国内外研究状况 c m u 就是一个八倍频的锁相环。数字信号处理模块提供一个6 2 2 m h z 的时钟，c m u 把该时钟信 号倍频到5 g h z ，提供给复接器使用。由于本次收发机系统的复接器部分使用的是半速率结构，所以 仅需要5 g h z 的时钟就可以输出1 0 g b p s 的串行数据信号。本次设计采用的是三阶锁相环电路，其结构 如图1 2 所示： 图1 - 2c m u 单元结构 世界主流厂商设计的o c 1 9 2 光纤收发机芯片大多可以覆盖o c 一1 9 2 ( 9 9 5 3 g b p s ) ，o c 1 9 2f e c ( 1 0 6 6 g b p s ) e t h e m e t ( 1 1 3 g b p s ) - - 个标准，所以要求该锁相环有着较大的跟踪范围，这也是本次设 计的一个难点。该电路在国外已经做了较多的研究，为了实现低抖动和低相位噪声性能，大多数电 路使用了l c 振荡器。而频率覆盖范围则由v c o 的粗调端和细调端共同作用得到：粗调端的控制电压 由外部提供，通过控制开关电容阵列来调整频段；而细调端接在电荷泵的输出端，构成锁相环路。 这样的方法可以提供较大的频率输出范围。 2 第1 章绪论 1 3 电路设计流程 本文中的电路设计分三个阶段：首先收集相关文献，根据系统级理论分析确定对各个模块的性 能要求。然后根据要求确定电路框架并考虑各部分电路实现。确定电路时结合h s p i c e 仿真软件进 行验证。进而在c a d e n c e 下完成版图设计和验证( 设计规则验证、一致性验证、版图参数提取及后 仿真验证) 。 1 4 论文的组织结构 第一章主要是简要介绍了s o n e t 的基本知识，o c 1 9 2 标准及其收发机结构，最后介绍了发射机中锁 相环倍频器的结构和本次设计的流程。 第二章介绍了锁相环的基本知识，包括基本锁相环理论。电荷泵锁相环各部分的功能和线性模型， 环路稳定性分析，相位噪声和参考杂散分析。 第三章给出了系统指标要求和设计难点，以及各个模块的详细分析和设计过程，并给出了每个模块 的后仿真结果。 第四章给出了整个环路的后仿真结果，以及基于结果的分析。 第五章给出测试结果及分析 第六章总结本次设计 3 第2 章锁相环的基本理论 第2 章锁相环的基本理论 2 1 基本锁相环介绍 锁相环就是一个相位的负反馈控制系统。如图2 - l 所示，最基本的锁相环电路由三部分组成： 鉴相器p d ( p h a s ed e t e c t 0 0 、环路滤波器l f ( l o o pf 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 d o s c i l l a t o r ) 。实际应用中有各种各样的环路，但是都是由这个最基本的环路演变而来的。 图2 1 基本锁相环结构 鉴相器是一个相位比较装置，用来检测输入信号相位氏( ，) 和反馈信号相位( ，) 间的相位差， 输出的误差信号u d ( 0 是相位差的函数。 工程应用中常常用线性模型近似表示每个模块的特性，然后用拉普拉斯变换来分析整个系统的 特性。鉴相器常常用式( 2 一1 ) 表示： u d ( s ) = k 【鼠。( j ) 一o o m ( s ) 】 ( 2 1 ) 局被称为鉴相器增益因子，单位是伏弧度。 压控振荡器的作用是把电压转换成频率，其振荡频率应该是随着控制电压( t ) 线性变化的，即 有变换关系： t o o u t ( t ) = + k o u c ( t ) 式中 曩( 0 是压控振荡器的瞬时角频率；k o 被称为压控灵敏度，单位是 r a d ( s v ) 】。 压控振荡器的输出是一个相位信号，故实际中常把它作为一个理想的积分环节来分析， 输函数表达式为： ( 2 - 2 ) 由于模型中 其频域的传 f ( s ) = k s( 2 3 ) 环路滤波器具有低通特性，它的作用不仅是取出鉴相器输出信号的平均值，更重要的是它对于 环路的各项特性都有着决定性作用，例如，捕获带、同步带和稳定性等。 常用的环路滤波器有r c 积分滤波器，无源比例积分滤波器，有源比例积分滤波器三种。r c 积 分滤波器是最简单的，其结构如图2 2 所示，适用该滤波器的锁相环闭环表达式如式( 2 _ 4 ) 所示。 5 东南大学硕士学位论文 图2 - 2r e 积分滤波器 耶) = 万署其中r = r c ；k = 髟k ( 2 q 如果定义= 瓜和f = 兰瓜，可以将式( 2 破换成式( 2 - 5 ) h ( s ) 2 再瓣c o n 2 s 。+ z c 巩s + 纯 由二阶系统的理论可知，如果为了追求大的跟踪范围而把必取得较大( 见2 2 ) ， 而选取较小的，那么啪值就会很小，导致系统稳定性交差。 无源比例积分滤波器的结构如图2 - 3 所示。其频域表达式如式( 2 - 6 ) 所示。 图2 - 3 无源比例积分滤波器 ( 2 - 5 ) 为了降低噪声 耶) = 面s c 再恐+ 丽1= 群其中l 叱+ 足) c ；乞= r c ( 2 呦 与简单r c 积分滤波器相比，无源比例积分滤波器具有两个可调的参数q 和吃，适当选取这两个值就 可以避免使用简单r c 积分滤波器出现的稳定性问题。简单r c 积分滤波器和无源比例积分滤波器的共 同缺点在于它们在跟踪频率阶跃信号的时候输入输出信号的相位无法完全同步，锁定时需要稳态相 差来提供控制电压( t ) ，并实现环路锁定。其原因分析如下： 如果输入信号是一个频率阶跃信号，则其相位是岛( ，) = t ，因此岛( s 户a o d s 2 ，而锁相环对于 相位误差的传递函数为 见( s ) 二 b ( j ) j s + k 甄，( j ) 因此当锁相环稳定时，利用拉氏变换的终值定理可得： j 骢包( f ) = l 。i _ m 。s 燕= l 。i m 。 缈彩 k o k f ( s ) k o k d f ( o ) ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) 其中分母匕尺0 ) 被称为速度常数或者直流环路增益，用符号凰表示。可以看出如果要使得环路 稳定时输入和输出的相位差尽量小，就要使环路的凰尽可能的大。如果使用有源比例积分滤波器就 6 第2 章锁相环的基本理论 可以较好的解决这个问题，因为理想情况下它包含一个积分环节，使得式( 2 - 8 ) 的分母趋向于无穷， 从而稳态相位差为零。 有源比例积分滤波器的结构如图2 _ 4 所示，传递函数如式( 2 - 9 ) 所示。 r 2c 图2 _ 4 有源比例积分滤波器 ，( s ) = 面j - a ( 丽s c r 丽2 + 1 ) 当a 比较大的时候，式( 2 9 ) 可以写成( 2 - 1 0 ) 的形式： ( 2 - 9 ) 耶) 掣一等m 邓骨墨c 利用拉氏变换终值定理可以知道，采用有源比例积分器的锁相环锁定后输入输出信号几乎没有相位 差，且理想情况下环路的同步带和捕获带【见2 2 】都趋于无穷。 2 2 锁相环中的几个重要概念 锁相环中“型”的概念是由环路传递函数中有几个理想积分环节决定的。同步带，捕获带和快 捕带是锁相环设计中的三个重要指标。其中同步带是反映了锁相环的跟踪特性，捕获带和快捕带则 反映了锁相环的频率捕获特性。 同步带是能够维持环路锁定状态的偏离压控振荡器自由振荡频率的最大频差，用符号a t o n 表示。 对于使用正弦鉴相器的锁相环来说，锁定后的固有相位差a 产a r c s i n ( 憾) k v ， 该方程无解，此时鉴相器输出的是一个差拍波而不是直流信号，环路失锁。故这种结构的环路的同 步带被定义为： = k ( 2 一1 1 ) 仅从式( 2 1 1 ) 分析意味着只要蜀随意大，同步带可以变得很大，但是实际情况不是这样，其他的模块， 例如环路滤波器，压控振荡器的非理想特性都会产生影响。 如果输入信号频率和压控振荡器固有频率足够接近，锁相环在锁定之前相差0 c ( t ) 的改变始终不 超过2 兀，也就是说环路不存在周期跳跃。能够满足这种情况的输入频率和压控振荡器自由振荡频率 之间频差被称为环路的快捕带。 如果输入信号频率和压控振荡器自由振荡频率离得较远，鉴相器刚开始会输出差拍波 ( b e a t - n o t e ) ，如图2 5 所示，环路并不会马上锁定。 7 东南大学硕士学位论文 b e a t - t o n ea tp do u t p u t a a 凸n d ，c ； | 1 i f 1if v l 7 图2 5 鉴相器输出的差拍波 对于二阶环路，依靠频率牵引使压控振荡器输出频率靠近输入频率，于是鉴相器输出的差拍波的频 率也越来越低，最后频率差小于快捕带后锁定。在此期间，相差0 0 ( t ) 的改变超过3 2 z ，但是经过几 个这样的周期跳跃之后，环路可以锁定，能够满足这种情况的输入频率和压控振荡器自由振荡频率 之间的频差称环路的捕获带。 2 1 中介绍的三种滤波器中，含有基本r c 滤波器或者无源比例积分滤波器的环路是二阶一型， 而含有理想的有源积分滤波器则是二阶二型环。对于使用模拟乘法鉴相器的锁相环，同步带常常使 用凰来近似估计；当环路滤波器含有相同个数的极点和零点时，其快捕带在工程上常常用 q = k = k k f ( o o ) ( 2 一1 2 ) 来估掣1 l ；当乜p 的时候，二阶锁相环会出现频率捕获，对于高增益环路( 墨 妁，其捕获带可以 使用 绵兰2 k k ( 2 - 1 3 ) 来估算。 对于二阶一型环路，这三个范围的大小关系如图2 - 6 所示，其中h 是同步带，脚是捕获带， 饥是快捕带。 o ：厶+ a m 图2 与二阶一型环路的同步带，捕获带和快捕带 8 第2 章锁相环的基本理论 2 3 电荷泵锁相环 电荷泵锁相环的基本结构如图2 7 所示，它由鉴频鉴相器( 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 ) 构成，现在多数的二型锁相环都是电荷泵锁相环。下面介绍每一部分的功能和 基本结构。 图2 - 7 基本电荷泵锁相环结构 2 3 1 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 ) 鉴相器p d ( p h a s ed e t e c t o r ) 电路多种多样，最广泛使用的有两类：一是相乘器电路，它的作用是 先对输入信号与输出信号进行乘积运算，然后取出该结果的低频分量，作为控制振荡器的电压值。 相乘器主要有模拟乘法器和数字乘法器两种。第二类是序列鉴相电路，它的输出只与两路信号的边 沿有关。鉴相器输出信号的占空比反映了相位差。这类电路适用于方波输入，通常由数字电路构成。 广泛使用的序列鉴相器有r s 触发器和鉴频鉴相器p f d ( p h a s ef r e q u e n c yd e t e c t e r ) 两种。 基本的模拟乘法器就是一个吉尔伯特单元，它的作用就是把两路正弦信号相乘，然后取出低频 分量，该分量的值与相位差成正比，如果该相位差较小，可以把它等效成线性的模块。其工作原理 和鉴相特性曲线如图2 8 所示： a c o s m t b c o s f 曩t 4 - 9 a b c o s a i t 。c o s ( t + 刃 。华湖口+ 。 l 一 品) 一譬洲。一萼9 ， p d 0 a m = 华 加 、l 扩 、? 、i wu 一 j _ - - a b 忍 图2 - 8 模拟乘法器的工作原理和鉴相特性曲线 这种结构的缺点很明显，从图中可以看出鉴相器的增益弱与输入信号的幅度有关。为了使鉴相 器的线性范围最大，环路初始锁定时输入和输出信号需要一个n 2 的相位差。 数字乘法鉴相器实际上就是一个异或门。它主要针对输入两路数字信号的情况。它的工作原理 和鉴相特性如图2 - 9 所示，其中鉴相特性曲线的纵坐标是异或门输出信号的平均值，即直流分量， 可以看出，当相位差为兀时，压控振荡器的控制电压为最大。 与模拟乘法鉴相器不同，该鉴相器的增益仅和电源电压v d d 有关，其线性范围为兀。为了使锁相 9 东南大学硕士学位论文 环锁定在鉴相器线性部分的中点，锁定时输入输出信号仍然需要一个7 以的相位差。如果它后面接带 有积分环节的滤波器，则还需要一个抵消v d d 2 直流偏移的电路，增加了设计的难度。 a b c a b c p dc h a r a c t e r i s t i c 二 ， 伶沁一 l l ， i i l 膏 一， t2 x k = v d 办 图2 9 异或门鉴相器的工作原理和鉴相特性曲线 r s 触发器是一种基本的序列鉴相电路。它只根据两路信号上升沿到来的先后来检测相位差。它 的工作原理和鉴相特性曲线如图2 1 0 所示，横坐标e = 0 a - 。b ，纵坐标v p 是鉴相器输出电压的平均值。 可以看出，与异或门鉴相器相同，它的增益仅与v d d 有关，鉴相特性曲线也是以2 兀为周期，但是