（电路与系统专业论文）数字电视调谐器中鉴频鉴相器与电荷泵的研究与设计.pdf

摘要 摘要 伴随着科技的突飞猛进，锁相技术的理论研究和实际应用出现了蓬勃发展的 局面。由于电视机高频调谐器的本机振荡器是由l c 振荡电路所组成的，存在很 多的缺点。所以要采用锁相环( p h a s e l o c k e dl o o p ，p l l ) 技术对本机振荡器的 输出波形进行自动跟踪、控制，使得系统具有较高的稳定度及较宽的频率调节范 围。 由锁相环组成的频率合成器一般由本振、固定分频器、可编程分频器、鉴相 器和低通滤波器构成，其中鉴相器是由鉴频鉴相器和电荷泵组成的数字式鉴相 器。本文仅对鉴频鉴相器和电荷泵进行深入分析与研究，提出一种高性能的电路 结构，并对两者的版图进行了设计。其主要内容如下： 论文首先介绍锁相环的基本原理。系统阐述锁相环的工作原理，分析锁相环 路的主要性能，通过对电荷泵锁相环的介绍深入分析鉴相器、电荷泵对系统性能 的影响。具体而言，鉴相器作为高度非线性的器件，它对系统的影响主要表现在 两个方面：一是输入信号的泄漏，二是对输入增加噪声；电荷泵对系统性能的影 响主要是由于电荷泵的非理想性造成的，表现为其漏电流和不匹配对杂散水平的 影响，从而说明设计高性能鉴相器、电荷泵的重要意义。 鉴频鉴相器最突出的作用是它能显著的加快锁相环的速度，增大锁相环的捕 获范围。论文通过对国内外各种p f d 电路结构性能的综合分析与比较，采用三态 鉴相器的结构，并对传统的三态鉴相器进行改进：这里的d 触发器是由动态d 触 发器改进的，通过将输入与输出路径缩短的方法，使速度得到提高；通过在反馈 回路增加延时的方法来消除鉴相器存在鉴相死区的问题；在输出端增加延时单元 与互补传输门，从而得到稳定、延时时间相同的输出信号。 电荷泵的主要功能是将鉴频鉴相器输出的数字信号u p 和d o w n 转换成连续的 模拟信号。通过对各种类型适用情况的分析与比较，选用差分输入单端输出的正 反馈互补型结构，这种结构是从一种新型的采用电流控制技术的电荷泵结构改进 得到的。给出正反馈互补型电荷泵电路的仿真结果，从瞬态分析可以看出，不管 是上控还是下拉的电流都很稳定，输出电压也很稳定，没有电压跳变；两且由于 电路采用正反馈技术，使得电荷泵充放电所需要的时间缩短。 数字电视调谐器中鉴频鉴相器与电荷泵的研究与设计 最后，介绍版图设计的流程与c m o s 基本工艺；重点分析版图设计所应注意 的问题，并且给出一些预防和解决上述问题的措施；基于鉴频鉴相器与电荷泵的 电路结构及性能要求，对其版图进行设计。 关键词：锁相环；鉴频鉴相器；电荷泵；噪声 a b s t r a c t w i t ht h et r e m e n d o u sd e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y ，t h et h e o r yr e s e a r c h a n da p p l i c a t i o no fp h a s el o c kt e c h n i q u et r e n dt ob ev i g o r o u s l yd e v e l o p e d a st h el o c a lo s c i l l a t o ro ft 、r h i g h f r e q u e n c yt u n e ri sf o r m e db yl c o s c i l l a t i n gc i r c u i t s ，t h e r ea r em a n yp r o b l e m s ，s u c ha se a s i e rt oc r e a t e f r e q u e n c yd r i f t ，t h eh e a v yo f h a r m o n i cr a d i a t i o na n d b a dt r a c e p e r f o r m a n c e ，a n ds oo n t or e s o l v et h e s ep r o b l e m s ，t h ep h a s e l o c k e dl o o p ( p l l ) t e c h n o l o g yc o m m o n l yi su s e di nt h es y s t e m , w h i c hc a nc o n t r o la n d a u t o m a t i ct r a c k i n gt ot h eo u t p u tw a v e f o r m so ft h el o c a lo s c i l l a t o ra n d c a nm a k et h es y s t e mh i g h e rs t a b i l i t ya n dw i d ef r e q u e n c yt u n i n gr a n g e t h ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e rc o m p o s e db yp l lg e n e r a l l yi n c l u d e sl o c a l o s c i l l a t o r , f i x e df r e q u e n c yd i v i d e r ，p r o g r a m m a b l ef r e q u e n c yd i v i d e r ， p h a s ed e t e c t o r , a n dl o w - p a s sf i l t e r i nt h i ss y s t e m , t h ep h a s ed e t e c t o r i sm a d eu po fp h a s e f r e q u e n c yd e t e c t o ra n dc h a r g ep u m p ，w h i c ha r et ob e r e s e a r c h e da n da n a l y z e dd e e p l yi nt h i st h e s i s i na d d i t i o n ，t h ep a p e r a p p l i e sa s t r u c t u r eo fa h i g h p e r f o r m a n c ec i r c u i t ，a n da f f o r d st h el a y o u t d e s i g n s t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s f i r s t l y , t h eb a s i cp r i n c i p l eo fp i 工i si n t r o d u c e di nt h i st h e s i s t h e nt h em a i np e r f o r m a n c eo fp l li sa n a l y z e di nt h en e x to ft h i sc h a p t e r f u r t h e r m o r e ，t h ei n f l u e n c e so fp f da n dc pt ot h es y s t e ma r ei n t r o d u c e d d e e p l y t h r o u g ht h ea n a l y s i so fc h a r g e - p u m pp l l ( c p p l l ) o w i n gt ot h e h i g h l yn o n l i n e a rc h a r a c t e ro fp f d ，t h e r ea r et w oa s p e c t st h a ti m p a c tt h e s y s t e mi nd e t a i l o n ei st h ei n p u ts i g n a ll e a k i n g ，a n dt h e o t h e ri s i n c r e a s i n gn o i s et oi n p u tp o r t a sf o rt h ec p si n f l u e n c e ，n o n i d e a li s t h em a i nr e a s o n ，a n dt h ee x p r e s s i o ni sl e a k i n gc u r r e n tw i t hm i s m a t c ht o t h er e f e r e n c es p u r a sar e s u l t ，w ei 1 1 u s t r a t e dt h a ti ti sv e r yi m p o r t a n t a n dn e c e s s a r yt od e s i g nah i g hp e r f o r m a n c ep p da n dc p t h em a i ne f f e c t so fp f da r et oa c c e l e r a t et h es p e e do fp l la n de x t e n d h i 数字电视调谐器中鉴频鉴相器与电荷泵的研究与设计 c a p t u r er a n g e b yc o m p a r i n ga n da n a l y z i n ge a c ht y p eo fp f dc i r c u i t s ，w e u s e dt h et r i s t a t ep i ) s t r u c t u r e ，w h i c hi m p r o v e dt h et r a d i t i o n a ls t r u c t u r e t h ef o l l o w i n gc o n t e n ti sc o n c r e t ed e t a i l s a tf i r s t ，t h ed - f l i p f l o p s a r ei m p r o v e df r o md y n a m i cd - f l i p f l o p b e c a u s eo ft h ep a t hs h o r t e n b e t w e e ni n p u ta n do u t p u tp o r t s ，t h es y s t e mc o u l dh a v eaf a s t e rs p e e d s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt ot h em a n n e ro fa d d i n gd e l a yu n i t si nf e e d b a c kl o o p s ， s y s t e me l i m i n a t e dt h ed e a dz o n ei np h a s ed e t e c t o r s l a s t l y ，w ea d dd e l a y u n i t sa n dc o m p l e m e n t a r yt r a n s m i s s i o n s ，a n dt h e nw eg e tt h eo u t p u ts i g n a l s w h i c ha r eo fs t a b i l i z i n ga n dt h es a m ed e l a y t h em a i nf u n c t i o no fc pi st ot r a n s f e rt h eu pa n dd o w nd i g i t a ls i g n a l s t oc o n t i n u o u sa n a l o gs i g n a l s b yc o m p a r i n ga n da n a l y z i n ge a c ht y p e ，w e u s et h et y p eo fp o s i t i v ef e e d b a c kc o m p l e m e n t a r yw h i c hh a sd i f f e r e n t i a l i n p u t sa n ds i n g l e - e n d e do u t p u t s t h es t r u c t u r ep r o p o s e di nt h i sp a p e r i si m p r o v e df r o man o v e lf o r mw h i c ha d o p t st h ec u r r e n t 。s t e e r i n g s w i t c h t e c h n i q u e s f r o mt h ei n s t a n t a n e o u sa n a l y s i so ft h es i m u l a t i o n ，t h e p u m p - u pc u r r e n ta n dt h ep u m p - d o w nc u r r e n ta r ev e r ys t e a d la n dt h eo u t p u t v o l t a g ei sa l s os t e a d yw i t h o u tj u m p i n g t h eo t h e re f f e c t o ft h i sf o r m i st h a tt h ec i r c u i th a ss h o r t e n e dc h a r g ea n dd i s c h a r g et i m ew i t hp o s i t i v e f e e d b a c kt e c h n i q u e s f i n a l l y ，t h ep r o c e s so fl a y o u td e s i g na n d sf u n d a m e n t a lp r o c e s s i n g a r ei n t r o d u c e d t h et h e s i sa l s or e s e a r c h e ds o m ep r o b l e m st h a tm a s tp a y m o r ea t t e n t i o na n dm e a s u r e st os e t t l ef o r m e rp r o b l e m s o na c c o u n to ft h e d e m a n dt op f d a n dc p ss t r u c t u r e s ，t h ep a p e rf i n i s h e dt h el a y o u ti nt h e e n d k e yw o r d s ：p l l ；p f d ：c h a r g ep u 印；n o i s e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，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，也不包含为获得娶徽大! 爹或其他教育机构 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谢意。 学位论文作者签名：衡1 虱公 签字日期：h 憎- 7 年牛月j j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完金了解露徽太) 喜有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权露檄太4 畸以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以呆用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：询l 虱公 导师签名：醵毒) 、孝 签字日期：功叮年4 月2 j 日签字日期：旧7 年4 月上；日 学位论文作者毕业去向： 工作单位：电话： 通讯地址： 邮编： 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 伴随着电子技术的飞速发展，电视技术和锁相技术的理论研究和实际应用都 出现了蓬勃发展的局面。电视技术经历着从黑白电视到彩色电视、模拟电视到数 字电视的发展过程。锁相环路作为一个闭环相位自动控制系统，它能够实现两个 电信号的相位同步，频率相同或倍频，因此，锁相技术被广泛用于电视系统中。 高频调谐器作为电视机必不可少的前置级部件，具有射频接收、滤波、放大 和变频等功能f 其性能的优劣程度将直接影响数字电视的接收效果。由于电视机 高频调谐器的本机振荡器是由l c 振荡电路所组成，所以它具有以下缺点： 1 、容易产生频率飘移，其振荡频率随温度的变化而变化； 2 、谐波辐射较大，容易造成干扰； 3 、跟踪性能不好，使得在同一频段内出现有些频道的节目收视效果好有些 频道收视效果不好的现象。而当前很多用户使用的有线电视信号采用邻频传输技 术，其频率漂移会造成邻近频道间的图声干扰。 鉴于此种情况，要采用锁相环( p h a s e - l o c k e dl o o p ，p l l ) 技术对本机振荡 器的输出波形进行自动跟踪、控制，使得系统具有较高的稳定度及较宽的频率调 节范围。这种采用锁相环技术的频率合成式高频头n 1 埘不再由c p u 直接提供高频 头的频段、调谐电压，而是由c p u 通过串行通信总线( 1 2 c 总线) 向高频头内接 口电路传送波段数据和分频比数据，然后通过高频头内的可编程分频器等电路对 本振电路的振荡频率进行分频，再与一个稳定度极高的基准频率在鉴相器内进行 比较。若两者有频率或相位的误差时，则立即产生一个相位误差电压去控制( 改 变) 本振频率，直至两者相位相等。此时高频头内本振电路的振荡频率与电视台 的发射频率相同，接收的电视信号特别稳定，突显出频率合成式高频头的优势。 数字电视调谐器中鉴频鉴相器与电荷泵的研究与设计 图i - i 频率合成式高频头的电路框图 f i g 1 1c i r c u i ts c h e m a t i co ff r e q u e n c ys y n t h e s i st u n e r 频率合成式高频头的电路框图如图1 - 1 所示。这里锁相环路( p l l ) 是由本 振、固定分频器、可编程分频器、鉴相器、低通滤波器等构成，送往混频器的信 号为环路的输出。在图1 - 1 中，鉴相器一路的输入频率为，是由晶体振荡器产 生的频率石，通过四次分频而得，另一路输入是由本振电路的振荡频率五经固 定分频器塌次分频、再经可编程分频器进行刀次分频后所得，其频率为 五= 石“功。当环路锁定时，两路输入频率相等，即石m = f o ( n , n ) ，由此式 得出五= 五n ，n m 。由此可见，改变可编程分频器的分频系数刀，即可改变本振 频率，从而达到选台目的，改变分频系数力还可以达到切换频段的目的。由上式 可知，本振频率调节范围取决于分频系数的变化范围，准确地说，是取决于分频 器的位数，由于位数是任意的( 理论上) ，所以频率调节范围相当宽，也就是可 预选的电视频道相当多。 从以上分析中可以看出，锁相技术在电视机高频头中所起到的作用是非常明 显的，研究和设计高性能的锬相环对电视技术的发展来说是必要的。 2 第一章绪论 1 2 锁相环的发展现状 锁相环的研究一直是学术界的一个研究重点。由于条件所限，国内对于锁相 环的研究主要停留在理论方面，高性能锁相环的产品基本依赖进口。而在国外， 锁相环技术则在不断发展，从最初采用分离器件到采用集成电路；从采用双极工 艺到使用c m o s 工艺；从需要外挂电阻和电容到锁相环完全集成在一块芯片上。 目前，随着芯片电源电压的不断下降，使得在模拟电路设计中，尤其是低噪 声低电压锁相环的设计变得非常困难。因而，当前锁相环的设计关键集中在高速、 低电压、低噪声方面。 在各种结构的锁相环结构中，尤以电荷泵锁相环脚( c h a r g e p u m pp l l ，c p p l l ) 应用最为广泛，这是由于电荷泵锁相环的捕获范围大，工作频率范围仅由压控振 荡器的频率范围决定；同时，它在锁定时有静态相差为零的优点，即输出信号可 以无相差的跟踪输入信号。电荷泵锁相环属于混合信号锁相环，其中鉴相器为数 字电路模块，是一个相位比较装置，对本振的输出信号和参考信号的相位进行比 较，其最突出的作用是它能显著的加快锁相环的速度，增大锁相环的捕获范围； 电荷泵与环路滤波器是现代电荷泵锁相环中非常重要的两个模拟电路模块，电荷 泵是把鉴频鉴相器输出的数字电平转化为连续的模拟信号，环路滤波器则是滤去 这个模拟信号的高频分量。 1 3 论文的主要研究内容及论文结构 本论文的主要研究内容包括电荷泵锁相环中鉴频鉴相器( p h a s e - f r e q u e n c y d e t e c t o r ，p f d ) 与电荷泵( c h a r g e p u m p ，c p ) 的电路及版图设计，具体结构如 下： 第一章绪论：介绍课题的研究背景、锁相环的发展现状，以及课题的主要内容 及论文结构。 第二章锁相环概述：系统阐述锁相环的工作原理；简要介绍锁相环系统中的几 个重要概念，分析锁相环路的主要性能；并通过对电荷泵锁相环的介绍， 深入分析鉴相器、电荷泵对系统性能的影响，从而说明设计高性能鉴相 器、电荷泵的重要意义。 3 数字电视调谐器中鉴频鉴相器与电荷泵的研究与设计 第三章鉴频鉴相器的研究与设计：简要介绍鉴频鉴相器的工作原理；通过对国 内外各种p f d 电路结构的性能比较，完成对高速低功耗鉴相器的设计与 改进，并给出仿真结果。 第四章电荷泵的电路设计；介绍各种电荷泵的电路结构，通过对各种类型适用 情况的分析，完成对电荷泵电路结构的改进，给出仿真结果。 第五章版图设计：介绍c m o s 基本工艺，重点分析版图设计所应注意的问题及 预防和解决的方法；最后，基于p f d 与c p 的电路结构及性能要求，完 成版图设计。 结束语：对论文的主要工作进行总结。 4 第二章镇相环的基本原理 第二章锁相环的基本原理 锁相环( p l l ) 是频率合成式高频头的重要组成部分。作为一个闭环相位自 动控制系统，它能够实现两个电信号的相位同步，频率相同或倍频。即当输入信 号与输出信号之间存在相差时，反馈控制机制使压控振荡器输出时钟信号改变， 从而使相差减小；最终，输出信号的相位将被锁定到输入信号相位上，输出信号 频率和输入频率将保持固定关系。 2 1 锁相环的结构及工作原理 p l l 的原理是从模拟锁相环的基础上逐步发展起来的。最简单的结构如图 2 - 1 所示m ，由鉴相器p d ( p h a s ed e t e c t o r ) 、环路滤波器l p ( l o o pf i l t e r ) ， 以及压控振荡器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 ) 组成。 u 1 ( t ji 弛 一 u d ( b ) ( c ) 图2 - 1 ( 8 ) p l l 结构图( b ) v c o 的传输函数( c ) p d 的传输函数 f i g 2 - 1 ( 8 ) b l o c kd i a g r a mo fp l l ( b ) t r a n s f e rf u n c t i o no ft h ev c o( c ) t r a n s f e rf u n c t i o no ft h ei d 其中，。( f ) 是参考输入信号，吼是它的角频率；蚴o ) 是鉴相器的输出信号； 甜，( f ) 是环路滤波器的输出信号；u 2 0 ) 是v c o 的输出信号，吼是它的角频率；信 5 数字电视调谐器中鉴频鉴相器与电荷泵的研究与设计 号蚝和群：( ) 的相位差定义为系统的相位误差，决定了v c o 的的值，即 2 ( f ) = o ) o + 足唧甜，( f ) ( 2 1 ) 是v c o 的中心频率，k 脚是v c o 的增益，单位为t a d a 。v 一。等式( 2 1 ) 可以用图2 一l ( b ) 来表示。鉴相器p d 可以视作为相位比较器，相位误差只的大 小决定了鉴相器输出信号的值，它的输入输出关系可以用等式( 2 2 ) 来表示， 其中皖= 岛- e , ，特性曲线如图2 - 1 ( c ) 所示，置p d 代表的是p d 的增益，单位 是v r a d 。 ud=kpd8|(2-2) 下面简要地分析图2 - i 中三个部件的功能： 鉴相器 鉴相器是相位比较装置，所以有时也叫做相位比较器或相敏检波器。它把输 出信号“：( r ) 和参考信号7 , 。的相位进行比较，产生对应于两个信号相位差眈的 误差电压蚴。 环路滤波器 环路滤波器的作用是滤除鉴相器输出误差电压中的高频分量和噪声， 起到滤波平滑作用，以保证环路稳定，改善环路的跟踪性能和噪声特性。 压控振荡器 压控振荡器受控制电压甜，( f ) 的控制，使压控振荡器的频率r h - j 参考信号的频 率接近，也就是使差拍频率越来越低，直到消除频率差而锁定。 因此，整个系统形成了一个反馈流程，最终促使压控振荡器的输出信号锁定 在参考信号的频率和相位上。其详细的工作机理描述如下； 首先假设参考信号( f ) 的角频率为时，p l l 处于稳定工作状态，则v c o 工作在中心频率，环路相位误差b 为0 ，i d 的输出以及砧，也均为0 。 如果输入信号砘( ，) 的角频率不等于嘞，那么鉴相器会产生非零输出蚴，环 路滤波器也将产生输出信号“，( ，) ，这将使v c 0 的e o 心频率朝着相差见消失的方 向变化。 现在假设在t o 时刻，参考信号( ，) 的频率发生变化，增加了国( 如图2 2 e 所示) ，则p l l 系统会根据输入信号的相位情况来改变输出信号的相位值。如图 6 第二章镄相环的基本原理 2 - 2 ( c ) ，随着国的出现，产生了相位误差见0 ，导致p d 的输出信号 釉 蛹 - 撕崎蝴柚弹 八八叭八厂 v 鼍 u0 掣 朋卯 、 f 、| 厂。 vvm j i 。： l i i k l b 图2 - 2 输入微小变化时p l l 的瞬态响应情况 f i g 2 - 2t r a n s i e n tr e s p o n s eo fap l lo n t oas t e pv a r i a t i o no ft h er e f e r e n c ef r e q u e n c y 也跟着变化。这个变化量经过环路滤波器，使得翟，也不再为0 ，而且逐步增加( 如 图2 - 2 d ) 。由于滤波器的作用，使得甜，和间存在一个延时。材，的增加直接导 致v c o 频率发生变化，输出相位也随之变化。系统的负反馈调节环路向着稳定的 方向运作，促使包越来越小。经过一段时间后，v c o 的工作频率仍会和输入信 号的频率奶取得相同的值。根据环路滤波器的不同类型，p l l 系统最后的相位误 差将为o 或一个固定的有限数值，但是参考输入信号和v c o 的输出信号的频率是 相同的。 7 数字电视调谐器中鉴频鉴相器与电荷泵的研究与设计 2 2 锁相环的性能分析 2 2 1p l l 系统中的重要概念和主要参数1 虽然p l l 系统工作在稳定或趋于稳定的一个范围之内时，我们都可以把它视 作线性系统来分析，但是从它工作的整个过程来看，p l l 系统却是一个非线性的 系统。 p l l 的工作状态 p l l 的工作状态可以分为以下四种情况： 锬定状态：整个环路已经达到了输入信号相位的稳定状态。它指输出信号相 位等于输入信号相位或是两者存在一个固定的相位差，但频率相等。在锁定状态 时，压控振荡器的电压控制信号应该接近平缓。 失锁状态；环路的输出在一个与输入信号的频率之差不为零的稳定状态或是 一个不停的振荡状态都称为失锁状态。 捕获过程：是指环路由失锁状态进入锁定状态的过程。这个状态表明环路已 经开始正常工作，但是还没有达到锁定的稳态。此过程应该是一个相位误差不断 减小的过程。 自动跟踪过程( 即同步过程) ：是指p l l 环路锁定后在外界因素的影响下， 如果输入信号频率或相位发生变化，环路偏离了原来的锁定状态，而通过自动调 节，再重新进入锁定状态的过程。由输入信号频率或者相位的变化而引起的相位 误差一般都不大，环路可视作线性系统。 p l l 的主要参数 在使用锁相环时经常会遇到两个问题。一个是开机时环路是否能够进入锁定 状态的问题，这个与捕捉带有关；另一个问题是环路是否能够保持锁定状态，这 个问题与环路的同步带有关。 快捕带l 0 c kr a n g e a t a l ：环路可以在一个周期以内快速锁定，实现捕获过 程。能实现快捕的最大输入固有频差称为快捕带。 捕捉带p u l l - i nr a n g e a t a p ：环路仍然可以锁定，但是捕获过程要比在快捕 带时需要更多时间。在这个范围内，随着捕获过程的进行，v c 0 的频率向着输入 信号频率的方向牵引，使得p d 输出信号的频率逐渐降低，环路滤波器输出的控 8 第二章镇相环的基本原理 制电压也将发生变动。经过这样几个循环，环路就通过快捕过程达到锁定。 输入信号最大跳变值p u l l o u tr a n g e m ：p l l 稳定工作时的动态极限值。 也就是说p l l 在稳定工作状态时，输入信号的跳变要小于这个参数，才能快速 锁定。若输入信号的跳变大于该参数而小于捕捉带，则环路还是能锁定，但需 要较长的时间。 同步带h o l d i nr a n g e m h ：环路能保持静态锁定状态的最大固有频差。 当环路锁定时，逐步增大输入的频率差值，环路最终都能保持锁定的最大输入固 有频差称为同步带。 ( 注释，固有频差是指输入信号频率与环路自由振荡频率之差，自由振荡频率是指环路 在没有输入时v c o 正常工作的中心频率，即c o o ) 以上四个重要参数都是对p l l 频率方面性能的定义，而且捕捉带总是小于同 步带。 衡量p l l 性能的重要参数还有： 锁定时间l o c kt i m e 瓦：p l l 快速锁定所需要的时间。 捕获时间p u l l i nt i m el ：p l l 捕获过程所需要的时间。 相位抖动j i t t e r ：考评p l l 噪声性能的参数。主要有c y c l et oc y c l ej i t t e r 、 a c c u m u l a t e dj i t t e r ( c y c l ej i t t e r ) 与d u t yc y c l ed i s t o r t i o nj i t t e r 三种 类型。 中心频率c e n t e rf r e q u e n c y ：v c o 的中心频率。 2 2 2 锁相环的相位模型 线性化相位模型 锁相环之所以是非线性系统，是因为环内含有非线性部件鉴相器。锁相 环的线性化，也就主要是对鉴相器鉴相特性的线性化，一般三角形和锯齿形鉴相 特性有较大的范围，而对于正弦形鉴相特性在一要到要内为线性范围。当前流行 oo 的电荷泵锁相环的线性范围已经达到了一2 万到2 石 图2 - 3 为相位传输函数模型旧。 9 数字电视调谐器中鉴频鉴相器与电荷泵的研究与设计 b ( s ) 。厂、以( s ) k d f ( s ) k o s ； ， j 一 岛( s ) 图2 3 锁相环相位传输函数模型 f i g 2 3p h a s et r a n s f e rf u n c t i o no ft h ep l l 其中q ( 力为输入信号瞬态相位q ( f ) 的频域函数，岛( d 为输出信号瞬态相位 岛( ，) 的频域函数，e a s ) = 岛( s ) 一岛o ) ，k d 为鉴相器的增益，f ( s ) 为环路滤波 器的传输函数，为压控振荡器的增益。 传输函数 一个线性化环路的传输函数一般有开环传输函数、闭环传输函数，及误差传 输函数。 开环传输函数王( j ) b ( 砂= 见o ) 】 h o ( s ) = 器= 器= 等掣 s ， 闭环传输函数只( 对【良( 砂= 岛o ) 一0 2 0 ) 】 荆= 器= 孝= 羔= 丽k o k a f ( s ) 伢t ， 误差传输函数j t 也。器2 笋- 1 - 耶，2 而1 倍。， s + 局k a f ( j ) 以上是锁相环路具有单位反馈形式时传输函数的一般表示形式，其中f 括) 的具体形式由具体滤波器确定。 l o 第二章镇相环的基本原理 2 3 电荷泵锁相环 根据锁相环各部件的电路类型可以把锁相环分为模拟锁相环、模数混合锁相 环和数字锁相环。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 ) 是一种典型的模数混合锁相环，它的捕捉带宽( 等于同步带) 、捕捉时间短、线 性范围大。目前常用的集成频率合成器锁相环几乎全是电荷泵锁相环。 2 3 1 电荷泵锁相环的结构 u l ， ，鲍 图2 - 4 电荷泵锁相环电路结构图 f i g 2 - - 4b l o c kd i a g r a mo fc p p l l 电荷泵锁相环是由鉴频鉴相器p f d 、电荷泵c p 、环路滤波器及压控振荡器构 成，与模拟锁相环的区别就是采用的鉴相器不同，模拟锁相环一般采用模拟乘法 鉴相器，电荷泵锁相环的鉴相器包括p f d 和c p ，是数字式的。c p p l l 是通过鉴频 鉴相器p f d 检测出输入信号和环路反馈信号：之间的相差和频差，并产生相 应的电压信号u p 、d n ，用来控制电荷泵c p 的工作状态。c p 将数字信号u p 、d n 转换成控制v c o 的连续的模拟电压v c 输出，v c 再经过环路滤波器l f 的滤波之 后，输出为直流电平“，成为压控振荡器v c o 输入。 2 3 。2 p f d 与c p 对系统性能的影响 对噪声的影响 鉴相器是p l l 的关键部件之一，也是p l l 的一个重要的噪声源，虽然在研究 p l l 特性时将它线性化，但是在实际工作过程中，鉴相器还是表现出高度非线性 的特点。它对系统噪声的影晌表现在两个方面：一是输入信号的泄漏，二是对输 入信号增加噪声的影响。为了减小鉴相泄漏的影响，可以采取以下措施： ( 1 ) 增大p f i ) 增益，降低v c o 增益，以提高边带抑制能力。 ( 2 ) 选择合适的窄带环路。 数字电视调谐器中鉴频鉴相器与电荷泵的研究与设计 ( 3 ) 提高鉴相频率，降低鉴相输入信号幅度。 ( 4 ) 在低通滤波器之后加干扰频率的陷波器。 通常电荷泵的电流增加时，电荷泵噪声也会增加，但是在某些情况下，当电 荷泵用不同的电流时相位噪声没有很大区别；甚至还出现了用较高电流时产生极 小相位噪声的情况。 对杂散水平的影响 对杂散水平的影响主要是由漏电流和不匹配造成的，而这些是因为电荷泵的 菲理想性引起的，所以，设计高性能的电荷泵是设计高性能频率合成器的关键之 一 漏电流问题是电荷泵设计中一个很重要的问题。漏电流不仅可以由电荷泵 本身产生，还可以由片内的可变电容产生。任何漏电流都会在v c o 的输出端产生 杂散，引入我们不希望的交流信号。 电荷泵的不匹配是对杂散的另外一个很重要的影响，通常我们是分别用p m o s 管和n m o s 管来做电荷泵的上下两个开关，那么电荷泵在对滤波器充电或放电时 会有电流和开关时间的不匹配，从而影响杂散水平。 第三章鉴频鉴相器的研究与设计 第三章鉴频鉴相器的研究与设计 鉴相器在锁相环中的功能主要是检测输入信号与反馈信号之间的相位( 频率) 偏差，利用相位( 频率) 偏差产生控制信号，使压控振荡器的输出信号朝着减小相 位( 频率) 偏差的方向变化。其最突出的作用是它能显著的加快锁相环的速度，增 大锁相环的捕获范围。电荷泵锁相环与传统的模拟锁相环的一个重要区别就在它 们采用的鉴相器不同。电荷泵锁相环采用的是数字鉴频鉴相器( d p f d ) ，它的线 性范围是2 ，在整个线性范围内是线性鉴相。这类数模锁相环，不需增加其 它元件就能同时完成鉴频鉴相的功能。 3 1p f d 的工作原理 下图给出了鉴频鉴相器p f d 的工作原理图啊。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) 。 b 纵磊 。厂 厂 厂 厂 。 厂 厂 厂 厂 q 几n几几 q 。l q q 8 吼 。厂 厂 厂 厂 。厂 厂 厂 饥l r 厂 q ；lli li ( 8 )( b ) 图3 - 1p f d 原理 f i g 3 - ip r i n c i p l eo ft h ep f d 如果在初始状态下，幺= 级= 0 ，那么在a 上的上升变化会使q = l ， 绕= o 。电路保持这个状态一直保持到b 变为高电平，此时线变为0 对于b 输入的情况与之相似。 在图( a ) 中，两个输入频率相等，但是a 相位领先于b 。输出色不断产生 数字电视调谐器中鉴频鉴相器与电荷泵的研究与设计 宽度与九一九成正比的脉冲，而幺输出保持为零。在图( b ) 中，a 的频率比b 的频率高，所以奶有脉冲输出而绋没有输出。根据对称性，如果a 相位滞后于 b 或a 的频率比b 的低，那么级就应该有脉冲输出而统没有。因此，奶和绋的 直流成分提供了九一九或吼一国。的相关信息，所以g 和级的输出脉冲分别被 称为“向上”( u p ) 和“向下”( d o w n ) 脉冲。 3 2 鉴相器的性能要求 鉴相器的性能要求如下呻： ， ( 1 ) 具有较大的鉴相灵敏度 鉴相灵敏度定义为鉴相器两输入信号相位差为1 弧度时的输出电压的大小。 ( 2 ) t 作线性区域大 要求鉴相特性工作线性范围尽可能宽，以减少因鉴相器的非线性所造成的不 良影响。 ( 3 ) 零点飘移小 在鉴相器输入相位差为零时，由于元件参数不稳定或电路不对称等原因，输 出将不为零，称为零点漂移。它会影响相位分辨率。 ( 4 ) 没有鉴相死区或鉴相死区尽量小 众所周知，c p 在p f d 的控制下，可以打开相应的充放电回路，从而生产合 适的控制电压。如果电荷泵使用的是理想开关，那么无论两输入的相差有多小， 充放电开关都将在相应的u p 和d o w n 脉冲下开启。但是考虑实际器件，m o s 开关 的栅输入节点对源、漏和衬底三端都存在寄生电容。如果脉冲宽度小于栅节点电 容的上升时间，该节点处就无法达到高电平，因而打不开m o s 开关。也就是说， 如果p f d 两输入信号的相差小于某一定值九时，将无法开启电荷泵。工程上把 士九这一区间称为鉴相死区啊脚。 1 4 第三章鉴频鉴相器的研究与设计 l d e a dz o n e 2 万r 一 i 一l 矿= lll 厂 虎2 i 刀7 1 一 一九l 。c k 图3 2p f d 的鉴相死区 f i g 3 - 2d e a dz o n eo ft h ep f d 消除死区常用的一种方法是在p f d 的r e s e t 反馈回路中加入延时单元。加 入延时单元的p f d 电路，相当于给每一个鉴相后的u p 和d o w n 脉冲都增加了一个 延时时间的宽度，这样就算相位差值1 1 4 , ，只要在这个加入的脉冲宽度之间，都 能够完全转换成电荷泵的开关，这样很小的相位差也可以反映到压控振荡器的控 制电压上去，就会减小死区的大小。但同时也限制了p f d 的工作频率。消除死区 的另一种方法就是去除反馈回路，例如n c - - p f d 。 3 3p f d 的各电路形式及比较 图3 - 1 所示的电路有多种实现形式，其中最简单的数字鉴相器是异或门鉴 相器。为了解决异或门鉴相器只有鉴相功能，而没有鉴频功能的缺陷，又出现了 三态鉴相器、预充电鉴频鉴相器，及n c 鉴频鉴相器。 3 3 1 三态鉴相器 由于门鉴相器的输出依赖于输入信号的占空比，为了避免这种情况的发生， 于是出现了三态鉴相器，虽然p f d 电路还是用门电路实现，但是采用的是信号的 边沿触发，从而避免了输出对输入信号波形的依赖。其中应用较为广泛的形式是 由r s 触发器构成的鉴相器和由d 触发器构成的鉴相器。 数字电视调谐器中鉴频鉴相器与电荷泵的研究与设计 。1 ” a b q q b 图3 - 3 三态鉴预鉴相器 f i g 3 - - 3 t r i - s t a t ep h ) 图3 - 3 是由两个边沿触发、带复位的d 触发器和一个与非门构成的鉴相器， 触发器的d 输入端都接逻辑“1 ”，a 和b 作为触发器的时钟。如果q 。和q 。的起 始值都为0 且a 由低变高，则幺输出高电平接着若b 也从低到高，于是级也 输出高电平，则与非门使两个触发器复位。换句话说，玩和幺同时在短时间内 变高，但两者平均值之间的差值依然能正确地表示输入的相位差。其输入输出特 性如图3 - 4 所示。 。厂 厂 厂 厂 。厂 厂 厂 厂 q i几门几门 q 墨li 叶t 图3 - 4 三态鉴相器的输入输出特性 f i g 3 - 4i n p u ta n do u t p u tc h a r a c t e r i s t i co ft r i s t a t ep i ) 分析此种鉴相器的工作状态，可以发现鉴相器只工作在三种状态：当a 超 前b 时，在色端输出脉冲信号；反之，当b 超前a 时，在q 。端输出脉冲信号； 当a 与b 相同时，奶与绋两端均没有脉冲信号的输出。因为鉴相器只有这三种 工作状态，所以这类鉴相器又被称为三态鉴相器。 1 6 第三章鉴频鉴相器的研究与设计 关于三态鉴相器有一个问题必须注意，即三态并不是真正的三态。在图3 - 4 中，我们可以注意到