（电路与系统专业论文）高频低噪声cmos集成锁相环电路设计.pdf

高频低噪声集成c m o s 锁相环电路设计 摘要 r 高频电荷泵锁相环作为频率合成器或时钟发生器在通信系统中 | 有者极其重要的应用。通信中数据的正确传输以及微处理器在正确的 时序下运行都离不开它的正常工作。并且随着通信系统自身性能的不 断提高，对锁相环的性能也提出了更高的要求。高频和低噪声是高性 能锁相环所要求的。因此，锁相环的设计仍然具有挑战性。此外上海 贝岭公司成熟的1 2 u mc m o s 工艺也为高性能锁相环的实现提供了 燃证。厂 本文首先从生产实际出发在总结锁相环原理的基础上分析了在 各种噪声影响下锁相环输出信号的稳定性。着重讨论了引起输出信号 抖动的关键因素一电源衬底噪声，并定性地提出了应对措施。然后 针对每个分部电路给出了典型电路结构和改进方案，分析了它们各自 的优缺点和影响电路性能的因素。另外，在分析环路滤波器时从系统 的角度分析了环路的稳定性条件。最后，在理论分析的基础上，利用 e d a 工具h s p i c e 对电路功能进行了计算机模拟。模拟结果表明该 电路最高能输出2 0 0 m h z 的频率信号，功耗小于4 0 r o w ，锁定时间小 于2 u s ，并且具有较强的噪声抑制能力。 、一7 一 、v 关键词：锁相环，c m o st 艺，相位噪声，压控振荡器，电荷泵 h i g hf r e q u e n c ya n dn o i s e i n s e n s i t i v e i n t e g r a t e dc m o sp l ld e s i g n a b s t r a c t a st h ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e ro rc l o c kg e n e r a t o r ，c h a r g e - p u m pp h a s e - l o c k e dl o o p ( p l l ) p l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nc o m m u n i c a t i o ns y s t e mo rm i c r o p r o c e s s o r p h a s e e r r o ro c c u r si np l lm a yl e a d st oi n c o r r e c tc l o c kr e c o v e r y0 1 d a t at r a n s m i s s i o n c u r r e n t l yt h ei n c r e a s i n gd e m a n do fh i g hp e r f o r m a n c ec o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n d m i c r o p r o c e s s o rh a sg r e a t l ym o t i v a t e dt h ei m p r o v e m e n to f p l l 1 bd e s i g nac m o s p l lt h a th a sh i g hs p e e d ，l i t f l e p o w e rd i s s i p a t i o na n dl o wo u t p u tj i t t e r i ss t i l la c h a l l e n g i n gj o b t h ef i r s tc h a p t e rs u m m a r i z e st h eb a s i cp r i n c i p l eo fp l lt h e nt h ep r o b l e mo n f r e q u e n c yv a r i a t i o na n dp h a s en o i s ei ss t u d i e d i n f l u e n c eo f s e v e r a lk i n d so fn o i s ei s a n a l y z e da n d t h ef o c u si sp l a c e do n p o w e r s u b s t r a t ec r o s s t a l kt h a ti st h em a i ns o u r c e o f o u t p u ti i t t e r s o m em e t h o d st h a tc a nb e u s e dt or e d u c ej i t t e ra r ep r e s e n t e df o re a c h p a r to fp l l ，t y p i c a la r c h i t e c t u r ei sp r o v i d e da n da d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f w h i c ha r ed i s c u s s e da i s os o m ei m p r o v e m e n t sh a v eb e e nm a d eo nt h e m f i n a l l yt h e s t a b i l i t y o fp l li sd i s c u s s e da n ds e v e r a lk e yf a c t o r si n f l u e n c i n gp u 。s t a b i l i t yi s s t r e s s e de d a t 0 0 1 h s p i c e , i su s e dt o d e m o n s t r a t et h ef u n c t i o no fc i r c u i t sw i t h l2 u mc m o s p r o c e s sm o d e io fs h a n g h a ib e l l i n gc o l t d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h ep l l o u t p u tf r e q u e n c yi sa b o u t2 0 0 m z t h ep o w e rd i s s i p a t i o ni s1 e s s 也a n4 0 m w a n dl o c kt i m el e g gt h a n2 u s - 1 1 上海交通太学磺士学住论文 l 。1 锁相环的用途 第一章概述 旱在1 9 3 2 年，贝尔赛钟( b e l l e c t z e ) 提出了霹步检波理论，蔷次公努7 对 镂；瞧邵( p h a s e - l o c k e dl o o p ) 懿论述。4 0 年代镂程环被戏功鲤赐予电视橇据描 羁步装置中，捧制噪声辩露步信号豹予扰，使电视胬像的同步毪能褥到很大改善。 7 0 年代戳前，由予技术上酌复杂往以及较高的成本，应溺锁褶环的领域主要在 航天方面戳及性能要求较商的精密测羹仪器和通讯设备。7 0 年代以后，随着集 成技术的发展，特别是半导体c m o s 工艺的出现，使大规模生产各种低成本集 成锁相环成为可能，锁相技术开始在更广泛的领域得到应用。 锁相环电路属于闭环棚位自动控制系统，它具寿独特的窄零跟踪性能，窄攀 跟踪性能包含鼹层意义：一是对输入信号的跟踪蛙髓；二是对蜍入噪声熬窜带滤 波性能。环路霹以只蹑踩输入信号豹载频，也霹以溉跟踪输入傣号豹载频又跟踪 壶蒸带信号诱频( 蔽调耀 掰弓| 起瓣频率和梧使交纯。葡者为载波跟踪性能，精 者为调制躐踪褴毹。跟踪载频时不存在稳态频麓，当输入信号为高稳定晶体振荡 信号时，利用锁相环可以产生与晶振具有相同稳定度的一系列不同频率的信号， 这就是频率合成。一般这种高稳定的合成频率信号可以作为微处理器或些驱动 电路的内部时钟信号。在环内适当注入基带信号时，可产生调角信号，这种调角 信号的载频稳定度与输入晶振馈号的稳定度据网且可以方便地改变载频的大小。 当输入信号为西调信号时，用锁相坏可以提取纯净靛稷于载波从懿实现翱干解 调，也霹以躅锬甥环壹接调解擞基攀信号。由予环路具有窄带滤波特栏，锬辖蘩 频器胃狱扩震诵解门隈。弱样，密予锁相环熏有窄带跟踪往能，用采提淑静位阐 步信号质薰及测速测距的精度都是很高的。 到目前为止锁相环所要完成的技术功能概括起来有以下十个方面：即频率合 成与频率转移；自动频率调谐跟踪；模拟和数字信号的相干解调；a m 波的同步 检波；数字通信中的位同步提取；锁相穗频，倍频和分频；锁棚测速与测距；锁 楣f m ( p m ) 调制与解调；微波锁根频率源；微波锁胡功搴放大等【l 】，f 2 】。 鼙 1 上海交通大学硕士学位论丈 1 2 锁相环的分类 掇据锁槎环采爝煞帮件宅路类型餐戬分为模攘锁耜环，模数混合锁稆环帮数 字锁耦环三种。 穰拟锁褶环的部件鉴相嚣、低通滤波器和压控振荡器都是模拟电路。这是应 用较举的锁褶环。在模拟锁相环中，最常用的罄相器越模拟乘法器。环路滤波器 是由r 、c 组成的无源低通滤波器或由r 、c 以及运算放大器组成的商源低通滤 波器。压控振荡嚣有采用电感的l c 型压挖振荡器葶利用多个r c 延时单元梅戏 鲶环形压控振荡器。l c 型振荡器竣出频攀较嶷一般用于射频邀路中，瞧是虫予 要溪鬟集成电感，在设计帮实现时均纛采爝 常援静方法，比较复杂。随麓深珏 微张c m o s 工艺懿发糕，基予r c 延时单元静c m o s 歪控振荡器越来越成熟。 它的设计和谲试都十分方便，闲诧得翻了撮广泛的应南。弱外国数字门电路构成 静振荡器识可馘归属于模拟压控振荡器，阂为它的控制电压是模拟量，振荡频率 是连续可变的。一般锁相接受机，载波提取，调角信号解调等常用模拟锁相环。 模数混合锁相环采用数字式鉴相器，而环路滤波器和厦控振荡器仍与模拟锁 相环相同。在这种锁相环中，鉴相嚣输入和输出的都是数字信号，褥电萄裂秘驱 控振荡器的输出都是模拟爨。鹾控振荡器的输出经过分频器分频居霹番作是数字 信号。邀穗泵锻摆蟊l = 裁是秘典型懿攘数滋合镞耀环，霉程叛率舍残器中傻焉。 宅豹特点是镂定带宽大，锁定辩阉段，线性范萄大，是盘用最广泛静模数混合环。 本文要讨论的就是这种锁稻环。 数字锁相环劂所有部件都是数字电路，常被用来提取位同步信号。由于门数 多，延时大，所以数字锁相环一般频率较低 2 】。 1 3 电荷累锬楣环原理 锁褶怒相位锁定的简称。其具体含义是相位同步的自动控制，绒者说是利用 相位自动调节的方法实现两个信号的相位的同步。相位同步是攒两个或多个信号 相位变化速率是一致的情况。对于时钟信号而亩，酋先是频率必须严格楣等，藤 且相位的相对关系要保持固定。若频率不棚等，即使初始提位掇恩，也谈不上攘 上海交通大学硕士学位论丈 位同步。 图1 - 1 镁籀环棰胬 f i g u r e1 - ip l ld i a g r a m 电荷泵锁相环是由鏊相器( p h a s e f r e q u e n c yd e t e c t o r ) ，电荷浆( c h a r g e p u m p ) ，环路滤波器( l o o pf i l t e r ) ，厦控振荡器( v o l t a g e c o n t r o l l e do s c i l l a t o r ) 和分频器( f r e q u e n c y d i v i d e r ) 五个部分构成个反馈环路。如图1 1 所示。在 锁相环路输入端无信号输入时，压控振荡器按围有频率运符，姿玮路辘入端有信 号输入时，鉴梗器肘戆入傣号驰提位( 频攀) 裁压控摄荡嚣赣爨信号 娃狻入个 电流源，如图3 - 3 3 所示。 v d d v s s 国3 - 3 - 3 改善a 点美断逮度 f i g u r e3 - 3 3i m p r o v e m e n to f t h es p e e do f a 图3 。3 3 中，m 5 和m 6 形成电流镜，当m 2 关断后电源电压通过m 6 向a 点充电。在m 6 进入非饱和区前该充电电流保持恒定，因此a 点电位迅速升离。 图3 3 3 中一般i s 的饭较小。这是因为m 2 导通时i o u t = i b i s ，加大i s ，势必减 小镜像到m 4 的电流使。但是从增加a 点关龋速度蛇角度出发又棼望l s 的徨越 大越好。为了竟黢这一矛廛，文献【7 攒 出了一季孛教遴方寨，搬圈3 3 4 艨暴。 上海交道大学硕士学位论文 v d d ￥s s 照3 3 - 4 对珐的重复利爆 f i g h r e 3 - 3 - 4c m r e n ( r e u s e 。f 搀 该毫路耋复利焉了秘，当m 2 导涟爵m 5 帮m 6 形成豹镜像不起作焉，邵i s 为零。输出电流直接等于i b 。而肖u 差断时，l b 充当前面图3 - 3 3 电路中i s 的作 用，由于i b 远大于i s 。这样a 点电位的上升沿速度可以进一步加快。 图3 - 3 5 是另一种改进电路。不但改进了a 点的关断速度，还改进了图3 - 3 4 中b 点的关断速度，使整体电路性能进一步改善。 v d d v s s 圈3 0 5 电荷泵改进电路 f i g u r e3 - 3 5f u r t h e fi m p r o v e m e n to f c h a r g e - p u m p 上海交通走学硕士学位论文 苫 岜 嚣 挈 皇 暑 舍 8 岛 互 5 4 5 4 3 ，s 3 25 2 s 4 s d 3 5 3 2 5 2 图3 - 3 - 6 ( a ) 普通电荷泵a 点上升电压波形 f i g u r e3 - 3 - 6 ( a ) r i s i n gw a v c f o r m so f a i n c o n v e n t i o n a lc h a r g e - p u m p i!：!： ! ：；，r ； ； ； r ：一t 一一一- 一 il 一 阜 - i 乒一丰；卓 毒一i ；一 j 上一- j 一t - - ；一 j ： ： ： ：i；i 叶十j 牛j ：* 一：十, - - - - = 十 j 。 一。；丰一 ；一毒 l 一= 土。；一 * ；一：二 j i- ii_ iiti_nil|- ，j：j 。，孵8 ： ：j ：一 、 !：!。! 儿2 n 1 1 觚1 1 6 n 1 1 眈1 絮l i “ i l e 苗盯潞1 2 6 n 1 2 b n ”引3 孙蛐 j【l m j 【il m 驯 图3 - 3 - 6 ( b ) 改进电荷泵a 点上升电压波形 f i g u r e3 - 3 6 ( b ) r i s i n gw a v e f o r m s o f a i n i m p r o v e dc h a r g e - p u m p 图3 - 3 6 为h s p i c e 给出的普通电荷泵和改进的电荷泵在a 点上升电压波形 的比较。从图中可以看出普通电荷泵a 点上升电压波形缓慢，从2 v 上升至4 v 需要4 n s ，而改进电荷泵a 点电位从2 v 上升至4 v 用时不到0 ，8 n s 3 3 4 电荷泵输出级 图3 - 3 2 电路中由m 8 和m 1 2 构成输出级电路。当电荷泵放电( 充电) 时， 电荷泵输出阻抗就是m 8 ( m 1 2 ) 的小信号动态电阻。一般在饱和区，考虑沟 道调制效应后有 k = k ( 一晖) 2 ( 1 + 肌k ) 所以输出阻抗 么= 器= 丽1 ( 3 3 1 ) ( 3 3 2 ) 上海交通大学硕士擘值论文 再将1 d s 的表达式代入上式可得 = 等“忐 囡诧小的电荷泵电流源有利予增加输出阻抗。 为了进一步提高提高输出阻抗，防止v c o n 交化时输国电流的波动， 用图3 - 3 。7 的输出级结构。 + 圈3 - 3 7 商输出阻抗输出级 f i g u r e3 - 3 - 7s t a u d a r dc a s c a d ec u r r e n ts i n k 胡应的小信号参数模型如图3 - 3 8 骚忝 d 2 + 卫 胃戬求蛊 罂3 - 3 8 小僖号模型 f i g u r e3 - 3 8s m a l l - s i g n a lm o d e l f o rt h ec i r c u i ta b o v e ( 33 3 ) 可以考虑采 上海交道大学顷士擘位论文 = = 啦= 酝2 ( 1 + 岛。+ g 础r 2 + 懿2 ) 兰( 岛：么2 ) 锄 ( 3 3 4 ) ，加f 输出阻抗比原来放大了g m ：珞：倍e 新输出电路结构在增加输出阻抗的简时带来了新的阔题，郎输出电箧范溺交 小。从圈3 - 3 7 可以赢观地看出为使m 2 始终工作在饱和区，v o u t 的鼹小值大约 为巧十2 p k ，= 一乓。而图3 - 3 2 电路的输出电压最小值仅为p 知( 9 】。 圈3 - 3 - 9 竟糨辕寤级 f i g u r e3 - 3 9h i g h - s w i n gc a g c o d e 图3 - 3 - 9 所示输出电路结构可戳箍著减小v o u t 的下隈值，使v o u t 最小值接 近2 p 葫。这时m 1 和m 2 漏源电压降成该都是p ( m 1 ，m 2 ，m 3 取同样的宽长 比) 。a 点电位应建酶+ 2 ，蠢b 点奄经为巧+ 。檄据k 。如。= 乇，有 半( 2 彬= 半( 嘣、 ( 3 s t 5 ) 4 堕：鉴( 3 3 6 ) 厶厶 残此只要把m 4 的宠长比设必m 3 静靼分之一靛翦以照著增攘v c o n 黪莲鼹。一 般在实骣斑熙中农m 3 主嚣述会褥串接一令m o s 管，其体奄路圈参考阉3 - 3 1 1 。 这主簧是考虑副在臀3 - 3 。8 牵m 1 和m 3 拘漏源毫压并不一致，考虑劐沟遵诵稍 效应这时i 。会和乙，略有不同。采用图3 - 3 - 1 1 输出级结构可以避免这种情况的 发生。 上海交通大学顶士学位论文 县 n 岛 篁 墨 2 ， 一一” ， 。7 孵j 。 譬 i ! 二 一? l! 一一!l 、 、1 0 2 麓j 镰漱 8 藩l 黼l 溅铀魏姆晦1 8 0 n 2 0 0 ： t i m e j 熟嫩黔 图3 - 3 - l o ( a ) 魄荷裂充电输出波形 f i g m e3 - 3 一l o ( a ) w a v e f o r m so f p u m p i n gu p i 刁 i i ： l j - 气 ； _ j j f ；： l a 。 一0。 一譬一 ；： ” 02 0 n4 0 矗6 0 n8 0 a1 0 冁l z 睡埘魄1 6 0 n1 8 妇，- 2 0 溉、 砸n e f l i n ) 鄹 r ， 一 _ t 闵3 - 3 - 1 0 墩荷裂放电输出波形 f i g u r e3 - 3 一i o o ) ) w a v e f o t m so f p u m p i n g d o w n 3 2 一羹一n辫蔓。 上海交通大学硕士学位论文 蒜 警 袋 器 避 羹 = 鬻 夔 图3 - 3 1 1 电路中充电和放电部分为对称结构。m 1 m 8 的参数同m 1 5 m 2 2 相 同。例如可以取m 1 的参数( 宽度，长度) 为2 5 u s u ，m 2 m 9 为2 u l o u ，m 1 1 m 1 4 为2 u s u ，m i o 的宽长比为m 1 3 的四分之一。图3 - 3 - 1 0 为电荷泵仅有输出 电容时的充放电波形。 3 3 5 偏置电路 息2罨营萎氇鼍器搿零g口自唾=i。裔骜措鱼 在图3 - 3 - 5 和图3 - 3 - 1 1 中恒流源i b 的产生需要稳定的电压偏置电路。带隙 基准源的优点是受湛度影响小，电源噪声抑制能力强。如图3 - 3 1 2 所示。d l 和 d 2 是参数一样的二极管，射极系数为n 。d 3 的射极煎积是d 1 ，d 2 的k 倦。 m l ，m 2 积m 3 梅成启动电路，主要是为7 黪止出现a 点毫位为零，偏曩电路 无法工俸懿馕嚣。 v d d 根据 朋l 肘2 v s s 图3 - 3 - 1 2 带隙基准源 f i g u r e3 - 3 一1 2b a n d g a pv o l t a g er e f e r e n c e = l a 2 = i 如= 珞，嘶_ = 封啄1 n 毒 如叼嘶一* 蜉l n 古 求褥 ，：n v r i n k 在输出端 = ，_ l r + 圪3 = ，| + i n 妁巧+ 屹3 ( 3 3 7 ( 3 ，3 8 ) ( 3 3 9 ) ( 3 3 i o ) ( 3 3 1 1 ) ( 3 3 1 2 ) 上海交通大学硕士学位论文 所以应与电源电压无关。 为使对温度的变化率为零令 监= l n 1 n k 娶+ 娶：o ( 3 3 1 3 ) a 丁a ，a 丁 由于拥有正温度系数，而二极管d 3 是负温度系数，因此只要根据它们各自的 温度系数仔细调整l ，n 和k 的值就可以使矿0 对温度的变化系数降到最低。这 样图3 - 3 1 2 所示带隙基准源可以提供非常稳定的偏置电压输出。 上海交通走学硕士学住论文 3 4 分频器电路设计 3 4 1 毅模6 4 6 5 倍分频器 为使锁稽环能完成倍频功能，分频器是必不可少的。在锁相环电路中压控振 荡器和前鬣分频器是工作在最高频的部分。因此提高前置分频器韵速度等于解决 了速度上限中的一个瓶颈【1 2 】。 围3 - 4 1 通用6 4 6 5 倍双模分频器结构框图 f i g u r e3 - 4 1f u n c t i o n a l b l o c kd i 楚r a mo f t h od u a l - m o d u l u sd i v i d e - b y 0 6 4 6 5c o u n t e r 图3 - 4 。l 强示了一个通用的6 4 6 5 倍双模分频器，其中同步触发嚣d 1 d 3 构成4 5 傍分频器，异步触发器d 4 d 7 构成 6 倍分频爨。 显然，这融拓扑结槐使雩导尉步分频器戏为隈割频率熬关键，因瓷其余部分煞 最凑频率仪必输入频率熬罄分之一。嗣步触发糕一般峦凌态d 触发器构成，为 了减少关键路径上豹与菲门造成最高王作频率下酶，w 戳把与菲门嵌入动态d 触发嚣构成一个逻辑触发器( l - f f ) 。尽管这种设计不熊完全消除与非门的影响， 但逻辑触发器的性能非常接近动态d 触发器。因此动态d 触发器是衡量最高频 率的关键因素。而异步触发器一般正作在低频，可以用链式t 触发器构成，如 图3 - 4 2 所示。 上海变通大学硕士学住论文 d 3 4 2 触发器瓶颈 d c k 图3 4 - 2 二分频t 触发器 f i g u r e3 - 4 - 2r 下d i a g r a m q q 图3 4 - 3y u a n - s v e n s s o n 型d 触发器 f i g u r e3 - 4 - 3y u a n - s v c n s s o n d f f 图3 - 4 3 是一个常用的y u a n - s v e n s s o n 型d 触发器。该触发器由一个p 型 c 2 m o s 级，一个n 型预充电级和一个n 型c 2 m o s 级构成。假设该触发器的三 个基本时间参数：建立时间，保持时间，和传输延迟分别为，r 和f ，。把d 触 发器看作理想的寄存器，通常厶 上海交通大学硕士学位论文 第四章锁相环路的稳定性 4 1 二阶环路和三阶环路 锁楣环是个棚位误差控囊4 系统。它比较竣入信号幕踺压按振荡嚣竣毖售号之阅 救援位差，扶颓产生误差控裁邂题寒攒整魇控振荡器麴频率，皴达戮与输入镶号 嗣频。环鼹滤波嚣靛楚形戏误差控制龟基煞豁件。 瑾论帮实践都证耨，环靖滤波器静参数对环路往施有极大的影晌。因为它除 了有低通滤波作用外，还可借助予合理地选择各元件参数来校正环路的功能，对 环路的捕捉，稳定，嗓声的滤除，环路带宽等等都有关系。所以是一个很重要的 部件。 环路滤波器可以分为商源和无源鼹种。无源滤波器只包含电阻电容等炙源器 件，两毒源滤波器饱含有源部 睾运算放大器。对电旖裂锬攘还来说，豢照懿是笼 源滤波器。 上+ 图4 - 1 ：阶环的环路滤波糕 f i g u r e4 - 1l o o p f i l t e ri ns e e o n d - o r d o rp l l 图4 。l 是一种常用灼玮鼹滤波器，蠹r 、c 串联露成。 该鼹络鲍隰抗必 z ：业。r l + r s 西曲 f s 其中时间常数f = r c 而电荷泵增益可表示为 ，。固= i p o , ( s ) 2 r r j 。为电荷泵电流，或( d 为襁位误差函数。 ( 41 ) ( 4 2 ) 圭鲎鉴墨盔茎壁主鲎苎些 压控掇荡器输出相位的s 域表达式为 咒国= 如坎( s ) s 彤。为压控灵敏度。 这样最终可以根据传输函数表达式写出环路传递函数 ( 4 。3 ) 黔器= 揣= 丽k o 丽l p r ( i + r s ) h 4 ， 可以看爨环路传递彝数静分母是一个二鼢多矮式，磷筵采露这种滤波器的锬裙 环又称为= 阶镄稻环。 二阶环的一个缺点是在采用三态鍪褶器的锁楣环锁定时会输出纹波电压，它 对压控振荡器的作用的结果是使环路输出信号为一个寄生调频信号，在频谱上表 现为谯载频两边有一些杂波。另外，如果该纹波的幅度过大时会超过压控振荡器 的调谐范围，从而破坏环路的讵常工作。为了防止此类现蒙的产生，就必嚣使用 三除珏路。三盼环的环路滤波爨如图4 - 2 激示。 图4 - 2 三阶环的环路滤被器 猁= 等，磊s r 2 + l 兰! 兰! ：之 以2 虿焉舞 式中彤：篓妥称为环路增益。 ( 4 5 ) ( 46 ) 上海交通大学硕士攀挂_ 论文 因为电容两端的电压无法突变，所以附加电容的加入可以熙著减小二阶环中控制 电压的纹波，改善输出信号的频谗纯度。 4 2 三阶环路的稳定性 锁相环的稳定性是个十分复杂的问题。对于采用数字式鉴相器的电荷泵锁相 环来说这主要是因为环路总体来说是个非线性系绕，比如兹面提到的鉴相器，壤 确的攒述要用非线性麓分方程。爨此具体的稳定性条传缀难确定。 文献f 1 4 】利震一些近 娃条传建立了三狯镂耀环熬差分模型，这墨饺绘崮结 票。 三阶邵的z 域特 芷函数为 其中g 垒墅她，蛾为输入信号角频率。 鲫矗 根据特征函数可以得到环路增益满足的稳定性条件； 磁覃珲墨箍霹骂 滤8 ) b o j f 乇q 屯 0 其中8 ：e x p ( 一丝) 从妓( 48 ) 霹以看出当b 较小时有利予环路熬稳定，所以一般令巴= o 1 c ，秀”l ， 使c 2 c 。 此夕 无论是离教域还是连续域镟摆巧都必须满足稳定性条传 f = 始】1 ，2 姐s ( 4 ，) f 称为阻尼系数。 这椹根据式( 4 8 ) 式( 4 9 ) 就确定了攘个锁相环的稳定性条件。 r 辫 上海交通大学硕士攀拄论文 观察它们发现影响锁相环的肖硒个关键参数，即电容c 和电苟裂电涟，。 萁谴参数鲡瑷控灵敏发配，由于箍藤控振荡器电路参数躺确定丽确定，很难调 熬。电容c 的取俊对锁相环稳定性至关重要，从妓( 4 8 ) 看出c 值较大时，不 等式右面的值变大，使环路增益的上限增加。肓利于离增益系统的稳定。同时限 尼系数也会增大。但憋考虑到c m o s 电路工艺，犬电容会占熙缀大的芯片嚣积。 因此攀实上c 不霹做雩导缀犬，一般取c 缕在1 0 p f 友卷。 魄棼象鬯滤胃戳遴过泼交电搿泵编鼍电压来谲整。较小的港祷泵奄流还可黻 藏小环路增益，毽有利于环路髂稳定性。 电容c 和电荷泵电流，。对环路稳定散的影响是很容搦理解的。当电荷泵给 滤波器充放电以形成对压控振荡器褥控铡电压时，太的电容c 意味饕在电容c 上形成的电压降较小，这样匿控振荡嚣斡频率改变量樱对较小。杏裂予压控振荡 器以较小静步长逐步接近参考频率( 裰位) 。两当电荷泵增益交大戴电容c 值较 ，j 、时，电穗泵在一次充放电的过程中就形成很穴的压降，谴压控振荡器输出频率 ( 褶位) 发生很大改变，有可能使新的频羞( 相差) 比原来的频差( 相差) 还鬻 大，这样反复艏进入恶循环锁褶环无法锁定，反而在滤波器上形成一个振荡波形。 如图4 - 3 所示。该波形为锁相环环路参数不满足稳定性条件时环路滤波器上电压 波形的h s p i c e 模拟结果。c = 3 p lg = o 8 p f , 恐= 1 5 k o ，j ，= 3 5 0 u a 。 4 耋 ” 妻童 s o 0 飙艘；哦：妲抖 il 一一k 一一 一一一 i f ! r ，一r ：t 一 n 。11 = 。11 l 。 02 0 瓤4 a6 0 0 a9 0 魄牲毫，2 哇玺船。蔓融l ：瓢瓠 下m 峰a 啪m m e ) 图4 0 失锁时环路滤波器电压波形 f i g u r e4 - 3e 醐睡畦v o l t a g eo f a n u n s t a b l ep l l 墅4 - 4 为h s p t c e 模拟静锬翱环鞭踩并锬定嵩频输入信号过糕中环路滤波 器上豹窀毯波形。鬻4 5 是镀稻环躐踪并锁定低颏输入信号过藕中环路滤波器上 的电压波形。电路参数中只有c 值从3 p f 改成8 p f 上海变遗大学硕士学住论文 莓 雩 挚 _ 。$ 冀 n 堂 季 d 3 k “荭 f _ i ：i i 舢_ j v 。 嘲 s 魄孙11 乳2 2 5 u轴 t i m e 她斟e ) 一十一一 一 墅4 4 锬定舞凝信号雾事环籍滤波器电压波形 f i g u r e 4 - 4c o n t r o l v o l t a g eo f l o o k i n g a n h i g h - f r e q u e n c y8 培n a i | _ 娥 一 ： i j f： 懑k _ 。、 。f 蠹 i ；i o5 汹t u：s j b2 5 u 碘e 嘶，( t i m e ) 图4 4 锁定离频偿号聪珏鼹滤渣器呶压波形 f i g w e 4 5c o n t r o lv o l t a g eo f l o c k i n g 娃l o w - f i e q u e n c y s i g n 鲑 激上辩镂糨环稳定性鹩分析串还满捧了两个因素。一个是分频器的作厢。加 入分频器嚣反馈信号鬏率下降，周精交大，在籀同耜差的蒲况下电荷泵充放电的 时间瓯没有分频器或分频系数较小的情况长得多。相当子使环路增益增大了n 倍( 分频系数) 。这一点在设计电路参数时必须加以注意。另方面，电容c 和 电荷泵电流，。的值对锁定时间也有影响。前面提戮增加电容c 和减小电穗泵电 流值，。虽然霄蕊增加系统稳定往，但怒系统稳定余量也不是越多越好。如果电 荷泵每次对滤波器充放的电荷很少，使压控振荡器仅有极小的频率改变量，必然 会增加系统达到锁定所需要的时间。因此在设计电路参数时必缀根据实际要求协 调魄路冬项技术指挺之闼黝矛羼。 圭透茎墨苎茎蹩主堂壁垒苎 5 1 总结 第五章总结与展望 集成锁提环馋为频率合成器姨时钟发生器在龟路系统中毒饕极其重鬻黪应 殿。邋痿系统正确熬数据转输，微处理器在正魏懿对序下工 警帮离不好镂糯环鼢 正常王 乍。 本文按照上海爱岭公镯静实际课题需鬻讨论了一个c m 0 s 集成锁相环的电 路缩构设计和模拟仿真，并对影响电路性能的各种因素迸行了分析，掇出了一些 改迸方案。特别是使用了一个改进的高频、低噪声压控振荡器以改善锁相环电路 性能。另外，本文还对锁棚环的相位噪声问题和影响锁相环路稳定性的一蟥因素 也作了定性的分析。该锁棚环用上海贝岭公司1 2 u mc m o s 工艺实现，舆鸯鞍 强的电源村底噪声挪制能力，能够程5 v 电源敷匿熬馕捉下提供最态鬏率在 2 0 0 m h z ，占空比为5 0 熬冠步对锌信号。繇鼯功耗，j 、予4 0 m w ，锬定时潮小于 2 u s 。圈5 - l 为镢棒环芯片照片。 径电路设计过程中遇到了一望问灏。蓠先，为了设计高频骶控振荡器，传统 的做法是增加振荡器煎时单元的充放电电流。这样做虽然可以提高振荡器的振荡 频率但同肘也增加了功耗。另一种思路是通过改善充放电波形的边沿特性采尽量 缩短充放电时间。采用的方法是在延时单元中引入正反馈，使延时单元在不增加 供电电流的情况下可以缩短上熬澄秘下降淤的延时。这样可以农提蹇压挖振荡器 振荡缳率匏冠蛙避免功耗涎大壤增热。羁瓣出予核心振荡器部分保謦了麓分结 构，电路具备了较强懿电源或牢孝疯噪声李牵铡能力。其次，锁相环是个溺环反馈 系统，在谲试各分都电路参数对一定要考虑它雷j 对环路稳定性的影响。例如，间 样的电荷泵在不同的分频院下增益会褶差搬大，对环路的稳定性的影响将完全不 同。预先了解这一点在设计电荷泵参数时就可以少淹弯路。另外，还必须考虑到 由于工艺的局限性，电容的数值不可能很大，以及电流镜会存在失配的问题等等。 在设计电路时预先把这些影响考虑进去可以增加系统的稳定性瓤可靠馊。 上海交通走学硕士喾拄论交 5 。2 展望 愆镁裰邵来浚，锁定时阐氇怒一个重黉静技术指标。在输入颓率发生改变时 茯速的锁定两样是裔性畿系统所要求的。因此未来的工作除了要迸一步提高频 率，降低功耗，减少相位噪声外还应注意加快锁相环的锁定时间。 本文4 2 节曾提到增加电荷泵的电流可以加快锁相环的锁定，但代价是可能 引起反馈系统的不稳定。为了解决这矛盾，可以采用自适应电荷泵偏置电路取 代本文中所使用的固定偏置电路。这张偏鬟电鼹在频蓑大的对候输出傻黑电压较 岚，使电旖泵输出电泼变大，加快锁攘环豹镁定，在羰差变，l 、射，能够输蹬较夺 的德矍电压，减小毫麓泵电流叛确保系统靛稳定梭，潜对夺静电荷泵电流意味着 ，j 、躲黪路带宽，有利予减夺输入礤声审高颓部分辩锁檑环的影响。 在设计这种偏置电路时可能会遇到一蹙困难。首先，自适应偏置电路在环路 未锁定时处于动态充放电过程中，这时如果电源和衬底噪声对输出偏鬣电眶发生 干扰就会影响环路的快速锁定性能。其次，固定偏置电路采用带隙基准源可以很 好地避免温度对偏置电压的影响，而自适应偏罴电路由于采用的电路缕构会同固 定偏置电路不样，如何减小很黑电压的濑度系数将会是个阖题。以上这些难点 都镌要在米寒煺工作中逐一缎决。 上海交运走学硕士学位论文 圈5 - 1 锁相环芯片照片 f i g u 5 - 1m i c g r a p h o f p l l c i r c u i t 一鹅- 圭楚! 垫叁芏塑主壁垒燕墨 参考文献 l j 盛卉，黄苏华，袁国瓮锻稳与频褰合液技术，气象滋敝社，1 9 9 6 2 】王福昌，鲁昆生，锁相技术，华中理工大学出版社，1 9 9 6 f 3 j rj a c o bb a k e r , l ih a r r yw a n dd a v i de b o y c e , “c m o sc i r c u i td e s i g n , l a y o u t a n ds i m u l a t i o n ，”i e e ep r e s s , 1 9 9 7 f 4 f r a n kh e r z e la n d b e h z a dr a z a v i ，“as t u d yo fo s c i l l a t o rj i t t e rd u et os u p p l ya n d s u b s t r a t en o i s e , ”i e e et r a n sc i r c u i t sa n ds y s t e m s - h ：a n a l o ga n ds i g n a lp r o c e s s i n g , v o l ，4 6 ，j a n 1 9 9 9 ，p p 。5 6 - 6 2 【5 l e ec h a n g - h y e o n , j a c kc o r n i s h ，k e l l ym o c l e l l a n ，e t c ，“d e s i g no f l o w j i t t e rp l l f o rc l o c kg e n e r a t o rw i t h s u p p l yn o i s ei n s e n s i t i v ev c o ，”i e e ej s o l i d s t a t e c i r c u i t s ，v 0 1 3 6 ，o c t 2 0 0 1 ，p p ，1 4 5 4 1 4 6 3 【6 z h a n gz h o n g x u a n , d u h ea n dl e em a ns h e k , “a3 6 0 m h z3 vc m o sp l lw i t h 1 vp e a k - t o - p e a kp o w e rs u p p l yn o i s et o l e r a n c e ，”i ni s s c cd i g t e c h p a p e r s ， f e b 1 9 9 6 ，p pt 3 4 - 1 3 5 【7 s ud k ，m j l o i n a z , s m a s u i , e t c e x p e r i m e n t a l r e s u l t sa n dm o d e l i n g t e c h n i q u e s f o rs u b s t r a t en o i s ei n m i x e d s i g n a li n t e g r a t e dc i r c u i t s ，”i e e e j s o l i d - s t a t ec i r c u i t s ，v 0 1 2 8 ，a p r 1 9 9 3 ，黪。4 2 0 - 4 3 0 【8 e s d r a s j u a r e z - h e m a n d e za n d a l e j a n d r o d i a z s a n c h e z , “a n o v e lc m o s c h a r g e - p u m pc i r c u i tw i t h p o s i t i v ef e e d b a c kf o rp l l a p p l i c a t i o n , ”i ni c e c s ，v 0 1 1 ， 2 0 0 1 ，p p ，3 4 9 3 5 2 9 p h i l i pe a l l e na n dd o u g l a s rh o l b e r g ，c m o s 模拟电路设计，第二版，电予工业 整舨社，2 0 0 2 年 10 p a r ks u n g k y u n g ，c h o iy o u n g d o n , l e es a n g - g e u n , e t c ，“l o w - j i t t e rp h a s e l o c k e d l o o pb a s e do n p s e u d o d i f f e r e n t i a ld d a ye l e m e n t s ，”e l e c t r o n i c sl e t t e r s ，v 0 1 3 7 ，m a y 2 0 0 1 ，p p 6 6 9 6 7 0 【11 l e ej a n dk i l nb ，“al o w - n o i s e f a s t - l o c kp h a s e - l o c k e dl o o pw i t ha d a p t i v e b a n d w i d t h c o n t r o l , ”i e e ej 、s o l i d s t a t e c i r c u i t s ，v 0 1 3 5 ，a u g 2 0 0 0 ，p p 1 1 3 7 - 1 1 4 5 【1 2 y a n gc h i n g - y u a n , d e h n gg u a n g - k a a i ，融j u n e - m i n ga n de t c ， n e wd y n a m i c f l i p - f l o p sf o rh i g h - s p e e dd u a l - m o d u l u sp r e s c a l e r , ”i e e ej s o l i d - s t a t e c i r c u i t