（电路与系统专业论文）dvbt接收机cmos锁相环中鉴频鉴相器和电荷泵设计.pdf

摘要 随着信息时代的到来，数字电视技术逐渐成熟和普及，一种将移动设备和数字电视技术相结合 的国际标准：d v b - t ，数字视频广播( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g - t e r r e s t r i a l ) 已经被提出并且得到了一定 的发展集成锁相环电路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，而电荷泵在锁相环电路中的应用使其有着很 宽的频率捕捉范围，从而使电荷泵式锁相环具有低功耗、高速，低抖动和低成本等特点，被广泛应 用于现代通信领域及射频领域中。作为锁相环关键部件的鉴频鉴相器及电荷泵的设计也就成为现代 通信领域及射频领域的研究热点。 本文首先介绍了锁相环频率合成器的基本概念，在电荷泵式锁相环频率合成器的基础上阐述了 鉴频鉴相暑导( p f d ：p h a s ef r e q u e n c yd e t e c t o r ) 及电荷泵( c p ：c h a r g ep u m p ) 的工作原理及分类，并详细讨论 了它们的性能指标及设计中所要考虑的问题。基于锁相环( p l l ：p h a s el o c k e dl o o p ) 系统的设计要求， 本文给出了鉴频攀相器及电荷泵的指标要求。在传统边沿触发p f d 结构的基础上，本文给出了一种 基于t s p c ( t r u es i n g l ep h a s ec l o c k i n g ) 动态结构d 触发器式高精度p f d 的设计，该电路具有功耗低、 速度快、结构简单等优点。同时，优化p f d 复位延时电路，克服了p f d 和c p 的死区另外，本文 采用与电源无关的基准电流源电路，运用运算放大器和自偏置高摆幅共源共栅电流镜电路实现了电 荷泵充放电电流的高度匹配，该电荷泵具有静态功耗低、速度快、线性度高、电流匹配性能好等特 点。并且本文还基于模拟集成电路版图设计的要点并根据p f d 及c p 电路性能特点优化了版图设计。 最后基于0 1 8 1 t mc m o s 工艺完成了p f o 和c p 各项性能指标的前后仿真验证，同时对芯片完成了 功能的测试验证测试结果表明：在i s v 电源电压下，鉴频鉴相器的各种逻辑功能正确，电荷泵电 流为0 4 7 5 m a ，在0 3 1 6 v 输出电压范围内电流失配小于1 0 p a ，p f d 和c p 总的功耗为1 3 4 m w 。 在当前数字电视越来越热的背景下，开发与数字电视有关的高性能p f d 和c p 芯片具有重要的 研究价值和市场应用前景。 关键词：频率合成器、锁相环，鉴频鉴相器、电荷泵、复位延时、“夕e 区”、电流匹配 a b s t t a c t a b s t r a c t w i t ht h ea d v e n to f t h ei n f o r m a t i o na g e , d i g i t a lt e l e v i s i o nt e c h n o l o g yi sg r a d l l a l l ym a t u r ea n dp r e v a l e n t , i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d - d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g t e r r a s t r i a l ( d v b - t ) w h i c hi n t e g r a t e st h em o b i l ed e v i c e s a n dd i g i t a lt e l e v i s i o nt e c h n o l o g yh a sb e e nr a i s e da n dd e v e l o p e dt oac e r t a i ne x t e n t i n t e g r a t e dp h a s e - l o c k e d k x ) pc i r c u i tm a k 嚣t e l e v i s i o ns i g n a lf r e q u e n c ya n dt e l e v i s i o nt r a n s m i s s i o nf r e q u e n c i e ss t r i c ta g r e e m e n t , r e c e i v i n gag o o de f f e c t p h a s ea n df r e q u e n c yd e t e c t o r ( p f d ) a sak e ym o d u l ei np l l c i r c u i td e t e r m i n e si t s a c c u r a c ya n ds t a b i l i t y , c h a r g ep u m p ( c p l i nt h ea p p l i c a t i o no fp l lc i r c u i tm a k e st h ep l lt oc a p t u r et h e f r e q u e n c y w i t hu n l i m i t e ds c o p e s ot h e c p p l l ( c h a r g ep u m p - p l l ) i sw i d e l y u s e di nm o d e m c o m m u n i c a t i o n sa n dr a d i of r e q u e n c yf i e l d sw i t hc h a r a c t e r i s t i c so fl o w - p o w e r , h i g h - s p e e d , l o wj i t t e ra n d l o wc o s ta n ds oo i la sk e yc o m p o n e n t so f t h ep l l p h a s ea n df r e q u e n c yd e t e c t o ra n dc h a r g ep u m pd e s i g n h a v eb e c ：m l ei n t oh o t s p o ti nm o d e mc o m m u n i c a t i o n sa n dr a d i of r e q u e n c yf i e l dr e s e a r c h t h i st h e s i si n u o d u c e st h ed e s i g no f p h a s ef r e q u e n c yd e t e c t o ra n dc h a r g ep u m pf o rh i g hp e r f o r m a n c e f i r s t l y , b a s i cc o n c e p t sa b o u tt h ep l ls y n t h e s i z e ra 坤i n t r o d u c e d 。o nt h i sb a s i s ，t h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n d c l a s s i f i c a t i o no f t h ep f da n dc pa r ee l a b o r a t e di nd e t a i l a n dt h ed e s i g no f p e r f o r m a n c ei n d i c a t c q , sa n dt h e i s s u e sn e e dt ob ec o n s i d e r e di nd e s i g na r ea l s od i s c u s s e di nd e t a i l t h i sp a p e rp r e s e n t st h ep e r f o r m a n c e i n d i c a t o r sb a s e do nt h ep l ll o o ps y s t e md e s i g nr e q u i r e m e n t s o nt h eb a s i so f t h et r a d i t i o n a le d g et r i g g e r p f ds t r u c t u r e ，at s p c ( t r u es i n g l ep h a s ec l o c k i n g ) d y n a m i cd f l i p - f l o ps t r u c t u r ea p p l i e di nh i g l ip r e c i s i o n p f dh a sb e e np r e s e n t e di nt h i sp a p e r , w h i c hh a sl o wp o w e rc o n s u m p t i o n , h i g hs p e e da n ds i m p l es t r u c t u r e m e a n w h i l e t h eo p t i m i z a t i o no f t h ep f d “蝌d e l a yo v e r c o m e st h ed e a d - z o n eo f t h ep f da n dc eo nt h e o t h e rh a n d , a no p e r a t i o n a la m p l i f i e ra n ds e l f - b i a s i n gc a s c o d ec u r r e n tm i r r o ra n ds u p p l y - i n d e p e o d o n t r e f e r e n c 七c u n 即ts o u r c 地a r eu s e di nc pd e s i g nt om a k ec h a r g ea n dd i s c h a r g ec u r r e n tm a t c h t h ec h a r g e p u m ph a sc h a r a c t e r i s t i c so f l o wp o w e rc o n s u m p t i o n , h i g hs p e e d , g o o dl i n c a n t y , a n dc m r e n tm a t c h i n gh i g h n e x t , b a s e do nt h em a i np o i n t so f a n a l o gi n t e g r a t e dc i r c u i t sl a y o u td e s i g n , t h el a y o u td e s i g no f t h ep f da n d c ph a sb e e no p t i m i z e da c c o r d i n gt ot h ep e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ep f da n dc p a tl a s t , t h ec i r c u i t a n d l a y o u to f p f da n dc p a s i m u l a t e db yh s p i c eb a s e do nt h et s m c0 1 8 1 t mc m o sp r o c e s s a tt h e s a m et i m e , t h ep e r f o r m a n c eo f t h ec h i ph a sb e e nt e s t e da n dc e r t i f i c a t e d m e a s u r e m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h e p f dh a sc o r r e c tl o g i cf u n c t i o nw i t hs u p p l yv o l t a g e1 8 vt h ec h a r g ep u m pc u r r e n ti s0 4 7 5 m a ，t h ec u r r e n t m i s m a t c hi sl e s st h a n1 0 w aa to u t p u tv o l t a g er a n g eo f o 3 v - 1 6 v , w i t ht o t a lp o w e rc o n s u m p t i o no f1 3 4 m w a t i 8v w i t ht h ed i g i t a lt vb e c o m i n gah o tr e s e a r c h ，t h ed e v e l o p m e n to f h i g hp e r f o r m a n c ec h i ps u c ha sp f d a n dc ph a v ei m p o r t a n tr e s e a r c hv a l u ea n dm a r k e tp r o s p e c t s k e y w o r d s ：f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r , p h a s el o c k e dl o o p , 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 ，r e s e td e l a y , d e a dz o n e ，c u r r e n tm a t c h i n g 1 1 1 插图 图i - 1 普通型p l l 整体结构框图 插图 图1 2 电荷泵式p l l 整体结构框图 2 3 图2 - l 杂散引起信道间干扰5 图2 - 2 正弦鉴相器鉴相特性：7 图2 - 3 鉴相器的相位模型 图2 - 4v c o 的相位模型( a ) 时域相位模型( b ) 频域相位模型 图2 - 5p l l 线性相位模型 图2 - 6p l l 中的信号波形 7 8 8 图2 - 7 电荷泵锁相环的基本组成 图2 - 8p f d 工作原理( a ) p f d 示意图( b ) 理想p f d 存在相差时的波形 图2 - 9p f d 的实现与波形( a ) p f d 的实现( b ) 实际p f d 存在相差时的波形。 图2 - 1 0p f d 与电荷泵一 图2 - llc p 输出电压与输入相位关系图 图2 1 3p f d c p 的数学模型 图2 - 1 4p f d c p 等效为鉴相器和环路滤波器 图2 1 5 由p f d c p 构成的锁相环 圈2 1 6p f d c p 构成的锁相环的数学模型 1 4 图3 - 1 ( a ) 理想的p f d 框架示意图( b ) 理想的p f d 特性曲线( c ) p f d 状态机原理图 1 4 1 7 图3 - 2 ( a 矽0 魂，的理想波形图( b 拗吼，时，r e f 信号相位超前d i v 信号相位的波形图1 8 图3 - 3 ( a ) 电荷泵电路原理图( b ) 电荷泵状态机示意图 图3 4 ( a ) 血) ：氏，时p f d 及c p 工作状态时序图 图3 - 5 传统的p f d 结构 图3 _ 6 ( a ) n c _ p f d 电路图及其特性曲线( b ) p t _ p f d 电路图及其特性曲线 图3 7 ( a ) 边沿触发式p f d ( b ) p f d 特性曲线 图3 - 8 ( a ) c m o s 标准半静态d 触发器结构 图3 - 9 ( a ) 漏极开关( b ) 栅极开关( c ) 源极开关 1 8 1 9 1 9 2 0 2 0 2 l 2 2 图3 一i o ( a ) 采用运放( b ) 采用电流舵开关( c ) 只用n m o s 管 图3 - 1i 图3 - 1 0 ( c ) 的改进结构 图3 1 2 全差分电荷泵结构。 图3 1 3 全差分电荷泵的另一种结构 2 3 2 4 2 4 图3 1 4 ( a ) p f d 的理想特性曲线( b ) 鉴相范围小于4 “的p f d 的非理想特性曲线2 6 图3 1 5 ( a ) p f d 的理想特性曲线( b ) 带有“死区”的p f d 非理想特性曲线 图3 1 6 电荷泵电流注入的失配( a ) 原因( b ) 瞬态响应( c ) 频率响应2 7 v 9 o ，2 3 3 3 4 东南大学硕士学位论文 图3 1 7 单管式电荷泵电路的开关管部分示意图2 7 图3 1 8 全差分型电荷泵电路的开关管工作状态示意图2 8 图4 1p f d 整体电路框架图3 l 图4 - 2 边沿触发t s p cd f f 结构3 2 图4 - 3 省略数据端的t s p cd f f 结构3 2 图4 - 4d f f 仿真结果曲线。3 3 图4 - 5 传输门3 4 图4 - 6 反相器3 4 图4 7c m o s 反相器的转移特性。3 4 图4 - 8 两输入与门的电路结构3 5 图4 - 9 ( a ) n q i 接入a 端口，i n 2 接入b 端口( b ) l m 接入b 端口，i n 2 接入a 端口。3 5 图4 - 1 0 ( a ) 对应图4 - 9 ( a ) 连接的与门仿真结果( b ) 对应图4 - 9 ( b ) 连接的与门仿真结果3 6 图4 - 1 1 改进的两输入与门电路结构。3 6 图4 - 1 2 改进后的与门仿真结果3 6 图4 - 1 3 鉴相死区产生原理3 7 图4 1 4 ( a ) e 4 4 4 0 a 示波器等效输入阻抗( b ) t d s 5 1 0 4 示波器等效输入阻抗3 7 图4 - 1 5 ( a ) 反相器等效电阻分压3 8 图4 - 1 6 ( a ) 驱动电路示意图( b ) 驱动电路结构图3 8 图4 - 1 7 ( a ) 未加驱动电路的p f d 仿真曲线3 9 图4 1 8 ( a ) 向) = 缸时输入输出曲线( b ) 铂i ，时输入输出曲线4 l 图4 1 9 电荷泵模型4 l 图4 - 2 0 理想基准电流的伏安特性。4 2 图4 2 1 简单电流源产生4 2 图4 - 2 2 ( a ) 参考电流产生电路( b ) 伏安特性4 3 图4 2 3n 沟道电流镜。4 4 图4 - 2 4c a s c o d e 电流镜( a ) e a s c o d e 电流镜结构图( b ) 省略偏置的c a s c o d e 电流镜结构图4 5 图4 2 5 自偏置e a s c o d e 电流镜4 6 圈4 - 2 6 ( a ) 普通电流镜( b ) f l 偏置高摆幅电流镜一4 7 图4 - 2 7 电荷共享产生原理一4 8 图4 2 8 克服电荷共享效应结构4 8 图4 - 2 9 电荷泵电路结构4 8 图4 - 3 0 折叠式共源其栅运算放大器电路图4 9 图4 3 l 折叠式共源共栅运算放大器的幅频和相频特性4 9 图4 - 3 2 充放电电流随输出电压的变化曲线( a ) 未加入运放( b ) 加入运放5 0 ” s ： 铝 m 一 v 一 析 分 析析性分分定 性号稳定信路 稳小环泵泵泵荷衙荷 电电电 弭驺 如 舡 舡图图图 插图 图”6 ( a ) 加入电容前后的a 点电压曲线( b ) 加入电容前后的充电电流曲线 图4 - 3 7 电荷泵锁相环传递函数 图4 3 8 仿真系统框图 图4 - 3 9 ( a ) 传统c p 在p l l 输出信号上引起的杂散改进后的c p 在p l l 输出信号上弓 起的杂散 图5 - 1 ( a ) 反相器反相器开关电流 图5 - 2 由开关电流导致的电源噪声 图5 - 3 交叠电容和平行电容 图5 - 4 信号串扰示意图 图5 - 5 去耦电容 图5 - 6 屏蔽以消除串扰( a ) 垂直屏蔽嘞水平屏蔽( c ) 包围屏蔽 图5 7 ( a ) c m o s 工艺中寄生双极晶体管( b ) 等效电路 圈5 - 8 ( a ) p a d 静电保护电路结构( b ) 实际的静电保护电路 图5 - 9p f d 和c p 之间的连接 圈5 - 1 0 改进的两输入与门电路结构 图5 1 lp f d 的整体版图 图5 1 2 ( a ) 镜像电流源( b ) 版图设计 图5 1 3 ( a ) 三叉指咖四叉指 图5 1 4 电荷泵电路的整体版图 图5 - 1 5p f d 和c p 的整体版图 6 4 ：6 4 图5 1 6 ( a 。时输入输出曲线( b ) 知铂i ，时输入输出曲线 圈5 - 1 7 ( a ) 电荷泵充电时信号连接方法电荷泵放电时信号连接方法 。6 6 图5 1 8 ( a ) 充电时输出电压随可变电阻的变化曲线( b ) 放电时输出电压随可变电阻的变化曲线。6 7 图5 1 9p f d 和c p 仿真框图 图5 - 2 0 ( a 镰，时，p f d c p 后仿真曲线( b w 0 琉” 圈5 - 2 1 充放电电流随输出电匿的变化曲线( 后仿真) 图6 1p f d 和c p , 1 5 片照片 图6 - 2p f d 测试框图 r e f 相位滞后d i v 相位时后仿真曲线6 7 图6 3c p 充电电流测试示意图。 图6 4c p 放电电流测试示意图 7 1 图6 - 5 ( a 妇亏缸且r e f 相位超前d i v 相位时的输入输出曲线( b ) 同频同相时输入输出曲线7 3 图6 _ 6 电荷泵充放电电流随输出电压的变化曲线( 测试结果) 7 4 图6 - 7 ( a ) 电荷泵充电的输出波形( ”电荷泵放电的输出波形7 4 i x 弱姥姥弼辨矾配n酡配 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：- j 孽i l 日期：业 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：蓬圭l 导师签名： 第l 章绪论 第1 章绪论 本章主要介绍本课题的提出及电荷泵式鉴频鉴相器的发展历程，阐述了本课题的主要研究工作， 晟后介绍了本文的结构组织框架和实施计划。 1 1 课题的提出 随着信息时代的到来，多媒体信息技术的更新风起云涌。数字电视技术逐渐成熟和普及，一种 将移动设备和数字电视技术相结合的国际标准：d v b t ，数字视频广播( d i g i t a lv i d e o b r o a d c a s t i n g - t e r r e s t r i a l ) p 经被提出并且得到了一定的发展。利用手机、便携电脑等个人设备在任何地 方收看数字电视已经成为当今市场的要求。d v b - t 是d v b 标准的子标准，是由d v b 项目维护的一 系列国际承认的数字电视公开的标准。d v b 系统的传输方式有如下几种：卫星( d v b - s ) 、有线 ( d v b - c ) ，地面无线( d v b - w ) 以及手持地面无线( d v b h ) 。近几年来，世界数字电视市场一直处于不 断发展状态而目前大多数的数字电视主要采用显像管( c m 3 方式，却不包含内装的数字电视调谐器。 为了推动数字电视产业更好的发展，许多国家都逐步要求在电视机上安装数字调谐器，这一决定将 极大的推动数字调谐芯片技术的发展。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 台。因此国家信息产部确立了h d t v ( h i g i i d e f i n i t i o n t e l e v i s i o n ) 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。 众所周知，以前的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，这样存在 频率搜索不准，影响电视接收效果。而现在的数字调谐芯片集成了锁相环p l l ( p h a s el o c k e dl o o p ) 电 路l i j ，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，而电荷泵在锁相环电路中的应用使锁相环有 着无限的频率捕捉范围。本文在数字调谐器产业化项目基础上，提出了应用于低功耗、高速、低抖 动和低成本的电荷泵式锁相环中的鉴频鉴相器和电荷泵的设计，并根据其系统设计的要求做出进一 步的优化设计及仿真分析和测试验证。 1 2 电荷泵式鉴频鉴相器的发展历程 锁相环p l l 是自动频率控制和自动相位控制技术的融合。它的原理很早就有人提出，但是最早 的成功是在1 9 4 0 年用于电视机扫描行同步装置中口j ，抑制噪声对同步信号的干扰，使得电视图像的 同步性得到很大的改善。随着半导体工艺技术的发展，深亚微米c m o s 工艺的出现，p l l 的性能不 断提高，应用范围也不断发展，成为现代通信领域中不可缺少的部分。而作为p l l 环路关键部件的 鉴频鉴相器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很高的频率捕捉 范围。这样，鉴频鉴相器和电荷泵也就成为现代通信领域研究的熟点。 东南人学硕上学位论文 1 2 1 普通型p l l 的应用 图1 i 所示为普通型p l l 整体结构框图，由图n i 见，普通型p l l 主要由鉴相器p d ( p h a s e d e t e c t o r ) ， 低通滤波器l p f ( i o wp 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 c i j l a 组成忆鉴相器( p d ) 将输 入的参考信号和压控振荡器( v c o ) 经n 分频器后的反馈信号进行比较，从而产生误差控制电压， 并经过低通滤波器( l p f ) 后以，来调整压控振荡器( v c o ) 的相位，频率从而实现频率和相位的精确跟 踪。鉴相器( p d ) 的平均输出p 钿与其两个输入的相位差o 成线性比例。在理想情况下，y 蠢和m 之 问的关系是直线的，直线的斜率鼬就是鉴相器的增益。常用的p d 主要是由g i l b e r t 单元组成的模 拟乘法器p d ；x o r 式p d ：r s 锁存器p d 等纠。 1 2 2 普通型p l l 的改进 图1 i 普通型p l l 整体结构框图 p l l 环路的锁定是个动态过群，它从失锁剑锁定状态需要捕捉过程。在通常的p l l 设计中，捕 捉时问的长短是设计考虑中关键的性能要求。通常仅仅靠环路的自身捕捉捕获时间较长。一般要 采取菜些措施，来缩短捕捉时间。由公式( 1 1 ) 分析可知：捕捉时间晶主要取决于输入固有频率差a w i 和环路的带宽啪： = 筹 。 ：_ 2 5 3 0 ( 1 2 ) j p d 此外，根据捕捉时间的经验公式( 1 2 ) 可知，捕捉时间耳还和鉴相频率抽有关，鉴相频率越 低，捕捉时间就越长。根据上述分析，我们可以得到缩短捕获时间的办法： i 、扩大环路的带宽，环路做成可变带宽，捕捉时使带宽增大，锁定后使环路带宽变成所需带宽。 2 、减小频差，加上攀频器f d ( f r e q u e n c y 醅瞅舾n 。 3 、最有效的方法：采用鉴频鉴相器p f d ( p h a s ea n df r e q u e n c yd e t e c t 0 0 。p f d 即可做鉴频器用也 可以做鉴相器用，而且采用p f d 可以减小p l l 环路的捕获时间，所以在长期的研究发展中，p f d 已替代p d 成为p l l 设计和应用的主流。 1 2 3 电荷泵式p l l 的应用 众所周知，单独的p f d 或p d 只能将两个输入信弓丘f 和兀，进行相位比较，输出相位差和 2 第1 章绪论 嘲h 。将p f d p d 输出的脉冲和的宽度转变成平均电压y 矗，一般方法有两种：其一：将4 h 和送入差分放大器放大，并通过l p f 输出；其二：采用电荷泵式p f d 而采用电荷泵式p f d 的 特点是：如果秀寸一直为正脉冲充电，可使趋于+ m ；反之，脉冲吼引起的放电会使趋于一。 由此可见，电荷泵式p f d 在p l l 环路的应用有两大优点： l 、锁相环的捕捉带仅仅由v c o 的可变频率范围决定，因此控制电压可以达到足够大。 2 、由它们构成的p l l 在锁定时，参考信号和v c o 控制信号之间的相位差一定为零。只要有无 限小的相位差，就在电容c 口上形成无限的电荷积累。 基于上述优点，现在国内外p l l 的设计大都采用电荷泵式锁相环【2 j 。电荷泵式p l l 结构如图l - 2 所示：由鉴频鉴相器( p f d ) 、电荷泵( c p ) 、低通滤波器( l p f ) 、压控振荡器( v c o ) 和分频器( d i v i d e r ) 组成口删p f d 检测参考信号和v c o 经n 分频器后的输出时钟信号的相差和频率，产生出u p 或 d w 脉冲信号并送入电荷泵( c p ) ，脉冲信号经过电荷泵被转化成电压或电流源，然后经l p f 进行充 放电，l p f 滤除信号中的高频成分，再将结果送入v c o ，v c o 根据控制电压来改变振荡频率所 以整个p l l 环路将形成一个闭环反馈系统，直到v c o 被有效锁定在参考频率信号 图1 2 电荷泵式p l l 整体结构框图 1 3 课题研究内容及工艺选择 本课题的主要工作是设计满足p l l 环路整体性能要求的鉴频鉴相器和电荷泵的c m o s 集成电 路。表1 1 给出了鉴频鉴相器及电荷泵电路的设计指标。 表1 - 1p f d 和c p 设计指标 p f d c p 性能参数设计指标 p f d c p 工作频率4 m h z p f d 鉴相精度 1 0 0 m h z c p 充放电电流大小 0 5 m a c p 的失配电流量 2 5 p f d c p 的功耗 = 或a 书但v 的相位滞后r ，则q r 为l ，q 保持为0 ，开关蜀根据q k 的0 、l 变化而开关，q k 为l 时，电流源对电容c p 充电，( k 为0 时，蜀断开，停止对c p 充电，电容上的电荷保持。因此电容器上的电压与q r 的正脉冲 宽度成正比，即与 小于瓜的频率差或瓜与 的相位差成正比。反之，当a v f l u 东南人学硕上学位论文 飞 鼍 c l k 图4 - 5 传输门 图4 石反相器 啦 ： ： iii tli lii l)ii ili lil 0 血v u a + i n 2 图4 7c m o s 反相器的转移特性 表4 - 2 给出了传输门和反相器的器件参数。 表4 - 2 传输门和反相器的器件参数表 宙篓黧譬擎”登i j 8 器痒：。：“ m i i 2 4 p m x 0 1 8 p m i m 3 1 3 p m x o 1 8 i l m m 2 1 2 p m x 0 1 8 p m m 4 4 p m x o 1 8 p m 4 1 2 2 与门电路的设计 一般的两输入与门结构如图4 8 所示，晶体管m 1 、m 2 、m 3 和m 4 构成c m o s 全互补的与非 门结构，然后经过m 5 和m 6 组成的反相器形成与门。此电路有个缺点，就是两输入信号到输出 端的延迟不同，从图中可以看出，a 信号一条支路经过m 1 和m 5 m 6 到达输出端，另一条支路经过 m 3 和m 5 m 6 到达输出端，而b 信号一条支路经过m 2 和m 5 m 6 到达输出端，另一条支路要经过 m 3 、m 4 和m 5 m 6 到达输出端，可见b 信弓支路比a 信弓支路要多经过个晶体管，导致两路信 号延时不同。将此电路用于p f d 结构中，将导致p f d 的输出信号u p 和d w 支路的复位延时不相同， 3 4 第4 章鉴频鉴榭器及电荷泵的电路设计 锁定后电荷泵的导通时问将会取最大的复位时间，这将增加锁相环的参考杂散嘲 两输入与门符号 图4 8 两输入与门的电路结构 两输入信号按图4 9 所示连接，其中两输入端信号在接入上仅对调，仿真波形见图4 - 1 0 所示。 廿廿 (a)(b) 图4 9 ( a ) l n i 接入a 端口，1 n 2 接入b 端口( b ) i n l 接入b 端口，i n 2 接入a 端口 其中图4 - l o ( a ) 为图4 - 9 ( a ) 脚仿真结果，其中图4 1 0 ( b ) 为图4 - 9 ( b ) 对应的仿真结果，从图4 - l o ( a ) 和图4 - 1 0 ( b ) 可以看出，与门逻辑是正确的。将图4 - i o ( a ) f l i g l4 - 1 0 ( b ) 的输出放大放在同一张图上如 图4 - 1 0 ( d ) 所示。 东南丈学硕士学位论文 霉万 t 。 + “| 。：= = 、擎