（电路与系统专业论文）高性能电荷泵式鉴相器的设计.pdf

摘要 锁相环( p l l ) 作为一个相位比较的反馈系统已在电子学和通讯领域中获得广泛的应用。而电 荷泵式锁相环由于在设计中采用了电荷泵( c p ) 与鉴相鉴频器( p f d ) ，使其具有低功耗、高速、低 抖动和低成本等特点，而被广泛地应用于现代通信领域及射频领域中。因此，现在的数字调谐芯片 就集成了电荷泵式锁相环，使其接收的信号频率和电视台发送频率保持严格的一致。而作为锁相环 关键部件的鉴相鉴频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。 本文首先介绍了鉴相鉴频器及电荷泵的工作原理及分类，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p l l 环路系统的设计要求，本文提出了鉴相鉴频器及电荷泵的指标要求及 其整体框架圈，该设计框架图主要包括四个部分：鉴相鉴频器( p f d ) 、电荷泵( c p ) 、p f d 偏置电 压( p f d _ b i a s ) 产生电路及电荷泵参考电流( c p _ i r e f ) 产生电路。在普通型边沿触发p f d 结构的基 础上，本文提出一种基于s c l ( s o u r c ec o u p l e df e tl o g i c ) 结构的高精度全差分型p f d 的设计，该电 路具有功耗低，速度快，结构简单的优点。同时，鉴于p f d 复位电路的延迟性能直接影响到p f d 的 各项性能指标，本文就基于m o s 管器件参数为标准的b s i m 3 v 3m o d e l 模型，对p f d 的复位电路作 延迟性能的估算：在保证良好的鉴相范围和最大工作频率的前提下，改善其鉴相精度，该p f d 的鉴 相精度提高到5 0 p s 。另外，本文基于普通型电荷泵电路提出了带有大摆幅电流镜( 充放电电流源) 的全差分型电荷泵的设计，该电荷泵具有静态功耗低，速度快，线性好，电流匹配性能好等特点。 在此电荷泵的优化设计中还增加了跨导放大器( g m ) 电路，跨导放大器的增加不仅可以使电荷共享 问题最小化，而且通过该跨导放大器的正反馈作用来减小电流失配。通过仿真分析和计算，该电荷 泵的电流失配量和普通型电荷泵相比从 l o 减小到 2 。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c h a r t e r e do 2 5 u m r f c m o s 工艺库 完成了p f d 和c p 各项性能指标的前后仿真验证及其计算分析，同时对芯片完成了功能的测试验证。 i “厂 “ 1 0 , b u tt h ep r o p o s e dc h a r g ep u m po ft h i sp a p e rh a s 2 t h en e x t w ei n t r o d u c et h e p r i n c i p l eo f a n a l o gi n t e g r a t e dc i r c u i tl a y o u td e s i g na n d t h el a y o u to f p f da n dc pc i r c u i ta tl a s t ，t h ec i r c u i t a n d l a y o u t o f p f da n d c p i ss i m u l a t e d b y h s p i c e w i t h t h e0 2 5 脚c m o s p r o c e s s k e y w o r d ：p l l ( p h a s el o c kl o o p ) ，p f d ( p h a s e f r e q u e n c yd e t e c t o r ) ，c p ( c h a r g ep u m p ) 。 s c l ( s o n r e ec o u p l e df e tl o g i c ) d e l a ye s t i m a t i o n , d e a dz o n e ，c u r r e n tm i s m a t c h 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： 强、碰日 期：丝坳心目 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：堑型导师签名： 东南大学硕士学位论文 第一章：引言 本章主要介绍本课题的提出及电荷泵式鉴相鉴频器的发展历程，阐述了本谋题的主要研究工作 最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 近几年来，世界的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c r t 方式，却不包含内装数字电视调谐器。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设计的发展。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。因此国家信产部确立了h d t v 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频率锁相环p l l ( p h a s el o c k l o o p ) 电路1 1 1 ，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。 鉴相鉴频器作为锁相环p l l 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p l l 电路中 的应用使其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锁相环中的鉴相鉴频器和电荷泵的设计，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的验证。 1 2 电荷泵式鉴相鉴频器的发展历程 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删，抑止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，应用范围也不断的发展，成为现代通信领域中不可缺少的部分。而作为p l l 环路的关键部 件的鉴相鉴频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无限的频率 捕捉范围。这样，鉴相鉴频器和电荷泵也成为现代通信领域研究的热点。 1 2 1 普通型p l l 的应用 图1 1 ( a ) 所示为普通型p l l 整体结构框图，由图可见，普通型p l l 主要由鉴相器p d ( p h a s e d e r e c t o r ) ，低通滤波器l p f ( 1 0 wp a s st 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 lo s c i l l a t o r ) 组成i lj 。 鉴相器p d 将输入的参考信号和压控振荡器v c o 的输出信号经n 分频器后进行比较，从而产生误差 控制电压v p d ，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( 或频率) 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 锄与其两个输入的相位差中成线性比例。在理 想状况下，v p d 和心之间的关系是直线的，直线的斜率k p d 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【2 j 。 笙二兰! ! 亘 母m ， 图1 - 1 ( a ) 普通型p l l 整体结构框图( b ) 普通型p l l 线性数学模型 图卜1 ( b ) 为普通型p l l 的线性数学模型。由该数学模型导出其开环传递函数及闭环传递函数 分别如公式( 1 ) ( 2 ) 所示。 即，2 鲁i ，f = k p d f 等 日( 驴鲁i m 2 瓦k 邴p d f ( 面s ) k i v c o n 丽 1 2 2 普通型p l l 的改进 ( 2 ) p l l 环路的锁定是个动态过程，它从失锁到锁定状态需要捕捉过程。在通常的p l l 设计中，捕 捉时间的长短是设计考虑中很关键的性能要求。通常仅仅靠环路的自身捕捉，捕获时间较长。一般 要采取某些措施，来缩短捕捉的时间。由公式( 3 ) 分析知：捕捉时间己主要取决于输入固有频率 差。和环路的带宽。【3 】。 唧2 等 t p = 箜竺( 4 ) p n 此外，根据捕捉时间0 的经验公式( 4 ) 可知，捕捉时间耳还和鉴相频率南有关，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： ( 1 ) 扩大环路的带宽。环路做成可变带宽，捕捉时使带宽增大，锁定后环路带宽变成所需的带宽。 ( 2 ) 减小频差，加上鉴频器f d ( f m q u e m c y d e t e c t o r ) 。 ( 3 ) 最有效的方法；采用鉴频鉴相器p f d ( p h a s ef r e q u e n c y d e t e c t o r ) 。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 u ，环路的捕获时间，所以在长期的研究很发展中，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 只能将两个输入信号五和疗进行相位比较，输出相位差和m n 将p f d p d 输出的脉冲和中p 的宽度转变成平均电压，一般方法有两种：其一：将和中，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： 如果一直为正脉冲充电，可使趋于+ * ；反之，脉冲m r 引起的放电会使趋于一m 。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： ( 1 ) 锁相环的捕捉带仅仅由v c o 的可变频率范围决定，因为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 p 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 3 】。电荷泵式p l l 结构如图卜2 2 查堕盔兰翌主堂垡堡苎 ( a ) 所示；它由鉴相鉴频器p f d ，电荷泵c p ( c h a r g ep u m p ) ，低通滤波器l p f 和压控振荡器v c o 组成【3 】【4 】。p f d 检测参考信号和v c o 输出时钟信号的相差和频率，产生出u p 或d o w n 脉冲信号并 送入电荷泵c p ，在电荷泵脉冲信号被转化成电压或电流源，然后对低通滤波器进行充放电。低通滤 波器将滤除信号中的高频成分，再将结果送v c o ，v c o 将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。图卜2 ( b ) 为电荷 泵式p l l 线性数学模型。由该数学模型推导出其开环传递函数及闭环传递函数，如公式( 5 ) ( 6 ) 所示。 o 酣 图卜2 ( a ) 电荷泵式p l l 整体结构框图( b ) 电荷泵式p l l 线性数学模型 即) 2 鲁l 开2 鲁邢) 等 即) = 鲁i 雨一历i 丽c v f ( i s ) k j v c o n 丽 1 3 课题的主要工作 中岫 ( 5 ) ( 6 ) 本课题的主要工作是设计出满足p l l 环路整体性能要求的电荷泵式鉴相鉴频器( c p p f d ) 的 c m o s 集成电路。该鉴相鉴频器及电荷泵电路性能要求：鉴相精度高( 5 0 p s ) ，速度快，电流匹配性 能好( 电流失配量 2 ) ，功耗低( 礴硇 c 。 珞。 ，懿 7 0 1 图2 - i ( a ) 理想的p f d 框架示意图( b ) 理想的p f d 的特性曲线( c ) p f d 状态机原理图 图2 - 1 ( c ) 为鉴相鉴频器p f d 的状态机示意图 6 i r a ，其三态工作方式分析如下： ( 1 ) 当p f d 处于状态0 时，u p 和d o w n 输出信号都处于无效状态； ( 2 ) 当p f d 处于状态i 时，u p 为“l ”，d o w n 为“0 ”；当捕号的上跳沿到来时，u p 从无效“0 ” 状态转化为“1 ”状态，直到丘。信号的上跳沿到来时，再由“1 ”状态转化为无效“0 ”状态；而此 时，d o w n 信号一直维持无效状态。 ( 3 ) 当p f d 处于状态i i 时，u p 为“0 ”，d o w n 为“1 ”；当信号的上跳沿到来时，d o w n 从 无效0 状态转化为“l ”状态，直到丘r 信号的上跳沿到来时，再由“1 ”状态转化为无效“0 ”状 态；而此时，l i p 信号一直维持无效状态。 众所周知，当鉴相环路进行频率捕捉时，p f d 就以鉴频方式工作；当进入相位锁定区域以后， 它就转化为鉴相方式工作。当输入参考信号的频率小于输入受控信号v c o 的频率，即丘倒时， 鉴相鉴频器p f d 就产生正脉冲u p 信号，而d o w n 信号一直保持低电平，如图2 - 2 ( a ) 所示。相 反的，如果厶刀，p f d 则产生正脉冲d o w n 信号，而u p 信号就一直保持为低。如果，二严 。， 4 查塑盔堂堡主堂垡堡塞 那么p f d 或产生u p 信号或产生d o w n 信号，且信号的脉冲宽度等同于两者输入信号的相位差。 图2 2 ( b ) 所示为。= 时，r e f 信号相位滞后v c o 信号的波形图。( 注意：理想状态下，u p 和 d o w n 信号不能同时为高) 。 厶厂 r 厂 厂 知几厂 nn n 忡几 厂 厂 n 删 南门r 厂 厂 梳几厂 n 厂 图2 - 2 ( a ) ：j 领，的理想波形图( b ) f r e = j o 时，r e f 信号相位滞后v c o 信号的波形图 2 1 2 电荷泵的工作原理 一般传统的c m o s 电荷泵电路都使用m o s 管开关，并由两个带开关的电流源组成i 1 】【”。电荷 泵的电路原理图如图2 - 3 ( a ) 所示，电荷泵的主要功能就是将鉴相鉴频器( p f d ) 的数字信号u p 或d o w n 转化为模拟信号，来控制压控振荡器( v c o ) 的频率。当p f d 给出高精度的相位误差时， 电荷泵对整个环路的性能起着决定性的作用。当p l l 环路锁定在某个频率时，电荷泵的输出电压 将保持在某个固定电压。电荷泵的状态机示意图如图2 - 3 ( b ) 所示，电荷泵有效工作时处于三态工 作机制 9 1 1 ”l ： ( 1 ) 状态1 ：u p = - “1 ”，d o w n = “0 ”，t u p 给电容c 充电，比增加。 ( 2 ) 状态2 ：u p = - “0 ”，d o w n = “1 ”，i d n 给电容c 放电，减小。 ( 3 ) 状态3 ：u p = - 0 ，d o w n = 0 ，电流为零，不变。 s t a c e o 图2 - 3 ( a ) 电荷泵电路原理图( b ) 电荷泵状态机示意图 图2 - 4 所示为非理想的p p d 及c p 的工作状态时序图。根据该状态时序图分析：当矗 。时， p f d 产生正脉冲u p 信号，由于p f d 的非理想性，使得d o w n 信号同时产生复位脉冲信号，此时， c p 充电且增加，如图2 - 4 ( a ) 所示；当! 项，p f d 则产生正脉冲d o w n 信号，且由于p f d 的非理想性，使得u p 信号也同时产生复位脉冲信号，此时，电荷泵放电且减小，如图2 _ 4 ( b ) 所示。 笙三童叁塑兰塑墨墨皇垄茎盟型笙茎堂 图2 - 4 ( a ) 五，。时p f d 及c p 工作状态时序图( b ) 厶产。时p f d 及c p 工作状态时序图 2 2 鉴相鉴频器及电荷泵的分类 p f d 既可以检测相位也可以检测频率，纵观国内外的设计和发展，应用于c m o s 锁相环中的 p f d 电路设计目前四种结构。普通型边沿触发式p f d ；预充电式n c _ p f d ( n o n _ c l o c kp f d ) 及p l p f d ( v r e c h a 耀et y p ep f d ) ：t s p c ( t r u es i n g l ep h a s ec l o c k i n g ) 动态结构的d 触发器式p f d ；全差分型 边沿触发式p f d 。此外，随着f l l 环路设计不断发展，满足p l l 系统整体要求的电荷泵电路的设 计也呈现出多样化的发展。根据需求c p 的结构可以大致分为四类：传统三态型；电流控制型：差 分输入单端输出型及全差分型删u ”j 。 2 2 1 鉴相鉴频器的分类 ( 1 ) 预充电式1 1 c - p f d 和p t _ p f d 预充电式n c _ p f d ( 1 9 9 8 年提出) 如图2 5 ( a ) 所示【sj 【“j ，它主要由两个n c 级延迟( 两个反相 器) 放在参考信号和受控信号之间，以便去掉相特曲线在n 相差周围的死区。优点是结构简单， 无死区，属于高速的p f d ；缺点是精确范围不高( n ) ，而且它的相位特性依赖于输入信号的占空 比因数。 预充电式p t _ p f d ( 1 9 9 5 年提出) 如图2 5 ( b ) 所示，它由1 8 个晶体管组成，它的预充端点代 替了传统的触发器，该电路结构简单，延迟路径为三个逻辑门深度。优点是结构简单，属于高速的 p f d ；缺点是精确范围不高( n ) ，有死区存在。 图2 - 5 ( 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 ( 2 ) 普通型边沿触发式p f d 普通型边沿触发式p f d 如图2 - 6 ( a ) 所示f l q ，它由两个带有复位端( r e s e t ) 的沿触发的d 触 6 东南大学硕士学位论文 发器和一个逻辑门与门组成。优点是采用传统的d 触发器和与门构成，电路结构比较简单；而且线 性度好，鉴相范围宽( - - 2 n ，+ 2 ) 。缺点是门延迟较大，使得p f d 电路的内部节点不能被完全的 拉高或拉低，造成电路在较高的工作频率下会有很大的功耗和较低的工作速度；在稳定状态下p f d 的特性曲线存在很大的“死区”，这样会造成整个p l l 环路大的抖动，严重时会使环路失锁a ( 3 ) t s p c 动态结构的d 触发器式p f d 该结构的t s p c 是基于传统的d 触发器改造而成的，如图2 - 6 ( b ) 所示【l 。优点是t s p c 结构 比较简单，只有一个时钟输入端和一个数据输入端，速度比较快；由于只有单时钟输入，使得相位效 果比较好，可以减少相位噪声；而且和c m o s 标准门结构的d 触发器相比较在高频工作情况下有较 低的功耗。缺点是如果输入信号的幅度较小就不能有效的工作，必须加上s f 电路( 或者b u f f e r 电路) 增加输入和输出信号的幅度，这样势必会增加p f d 电路的功耗。 星蒜叫 一吲音算孕叫 5 奇。o w w k 斗 图2 - 6 ( a ) 普通型边沿触发式p f d 及其特性曲线( b ) t s p c 动态d 触发器式p f d 及其特性曲线 ( 4 ) 差分型边沿触发式p f d 差分型边沿触发式p f d 是在普通型边沿触发式p f d 的基础上f 】4 1 ”】，将传统的d 触发器及与门 采用全差分n m o s 管式的结构( 即s c l 结构) 替代。该p f d 不仅具有结构简单，线性度好，鉴相 范围宽( - - 2 n ，+ 知) 的特点，还具有功耗低，速度快的优点。 2 2 2 电荷泵的分类 ( 1 ) 传统型电荷泵电路 图2 7 ( a ) 传统型电荷泵电路原理图( b ) 传统型电荷泵电路图 7 v c 第二章鉴相鉴频器及电荷泵的理论基础 传统型电荷泵电路原理图如图2 7 ( a ) 所示【“。”，两个m o s 管作为开关，u p 和d n 两个信号 直接控制m o s 管的工作状态。显然，该电荷泵的工作性能不是很理想。首先，m o s 管不是理想开 关，转换速度不快，并伴随载流子注入引起的错误；其次，当u p 和d n 信号都为低电平时，v c 是 悬浮的；这时，虽然跆的电压值保持不变，但是a 点的电压被上拉到v d d ，而b 点的电压被下拉 到v 。这种跳跃现象会引起耽电压的不连续性，该跳跃给p l l 环路引入噪声，从而引起v c o 频 率的不稳定。 从其实现电路图图2 - 7 ( b ) 分析可见，当m p 3 关断时，在a 点的寄生电容被充电至v d d ，当 u p 信号使m p 3 打开时，a 点电压从v d d 开始下降，当时该电压不能使m p 2 马上工作在饱和状态而 要在线性区工作一段时间。因此，在a 点存储的电荷和流过m p 2 的电流会给负载电容一个过冲注入 电流，即会产生跳跃现象。 为了解决这个问题，国内外提出了很多改进方法。比较典型的办法有两种：一种是将u p 和d n 信号采用差分对管差分输入，并在其中加入一个运算放大器。另一种采用电流控制技术，以提高m o s 管的开关速度和减少载流子注入引起的错误。 ( 2 ) 简单的传统改进型电荷泵 为了使电路简单，考虑仅将传统型电荷泵电路作了略微的改动，图2 - 8 为简单的传统改进型电 荷泵电路图【1 ”j 。该电路的优点是m p 3 仅工作在截止或饱和状态，避免其工作在线性区，从而避 免了过冲电流的产生。但是该电路在电荷泵输出为高时，m n 3 的栅电容将会起很大的影响作用；同 时由于踟和g ，j 影响了开关速度，从而使该电路的工作频率不能太高。 雹羼 弼 图2 - 8 简单的传统改进型电荷泵电路图图2 - 9 传统改进型电荷泵电路图 嚣 ( 3 ) 传统改进型电荷泵 传统改进型电荷泵电路如图2 - 9 所示【1 6 1 ”。该电路采用差分对管作为开关管，并且在其中加入 一个运算放大器。该电路利用运放的反馈作用使得a 点和b 点的电压保持一致，并使之与输出节点 的电压连续。虽然加入运放后，电路改善了跳跃现象，但是为了使运放的输出电流与i 。和i d n 相匹 配，输出和共模输入电压达到从v s s 到、，西，运放需要做的很大，这样运放会占据很大的版图面积， 使电荷泵电路大大复杂化，同时运放会有较大的输出电流会对原先的电荷泵产生很大影响。 ( 4 ) 一种新型的改进型电荷泵 新型的改进型电荷泵电路如图2 一l o 所示【”1 ”。该电路主要由一个大摆幅电流镜( w i d e s w i n g c u r r e n t m i r r o r ) 以及对称的p u m p - u p ( 充电) 和p u m p - d o w n ( 放电) 电路组成。该新型的改进型电 荷泵电路采用差分电路结构，上拉泵p u m p - u p 电路接受来自p f d 的差分输入信号来控制充电电流： 另一方面，下拉泵p u m p - d o w n 电路控制放电电流。该电路消除了跳跃现象，可以工作在较高频率， 且消除电流不匹配的问题，满足整个p l l 环路的设计要求。并且由于对称性，不易产生偏差，从而 减小电源、地及衬底噪声的影响。而且没有使用差分放大器，减少电路的复杂等的优点已成为现在 銮堕奎兰堡圭堂垡堡壅 c p 电路发展和应用的趋势。 冒 图2 1 0 新型的改进型电荷泵电路图 ( 5 ) 总结 按照以上的介绍与分析，电荷泵的结构可以大致分为四类 16 1 。绝大多数p l l 都属于其中的一类。 我们可以根据需要选择在具体应用中使用哪一种结构。 ( 1 ) 传统三态型：特点是低功耗，中等速度，中等时钟歪斜。主要应用于低功耗频率合成，数字时 钟发生器。 ( 2 ) 电流控制型：特点是静态电流功耗低，速度快，中等时钟歪斜。主要应用于高速p l l ( f , 矿1 0 0 m i - i z ) ，数字时钟发生器。 ( 3 ) 差分输入单端输出型：特点是中等功耗，速度一般，低时钟歪斜。主要用于低歪斜的数字电路 时钟发生器，频率合成器。 ( 4 ) 全差分型：特点是静态电流功耗低，高速，很好的线性，低时钟歪斜，能够很好地解决漏电流 和噪声干扰，应用于高速单片集成电路芯片频率合成。 2 3 鉴相鉴频器电荷泵的性能指标及相关问题 2 3 1 鉴频鉴相器的性能指标 ( 1 ) 鉴相特性曲线 鉴相特性曲线就是鉴相器的输出电压随输入信号的相位差的变化曲线，要求特性曲线为线性且 线性范围要大。 ( 2 ) 鉴相灵敏度 鉴相灵敏度就是单位相位差产生的输出电压，单位为：v t a d 。一个理想的鉴相器的灵敏度应与 输入信号的幅度无关。当鉴相特性不为线性时，般定义为钟= o 点上的灵敏度。 ( 3 ) 鉴相范围 鉴相范围就是指鉴相鉴频器的输出电压随相位差单调变化的相位范围。理想的p f d 的鉴相范围 为【2 ，+ 2n 】 如图2 1 1 ( a ) 所示；然而，由于复位电路的延迟效应，使得p f d 的鉴相范围 将小于4 ，如图2 - 1 1 ( b ) 所示。 9 第二章鉴相鉴频器及电荷泵的理论基础 咋 一盘_ |卅卅 0 瓤 西 一口皿一 一一鼢a刁卅， 匕 o 一 矿 a 自 图2 - 1 1 ( a ) p f d 的理想特性曲线( b ) 鉴相范围小于4 a 的p f d 的非理想特性曲线 ( 4 ) 鉴相精度( “死区”) 鉴相精度指得是p f d 能鉴别出的最小相位差。理想的p f d 的“死区”为零，如图2 1 2 ( a ) 所示。而实际的p f d 当参考时钟信号幻和输出时钟信号，之间的相位误差很小时，那么在u p 或 d o w n 上产生的脉冲非常窄，由于实际的p f d 存在节点电容，因此会有一定得上升时间和下降时 间，使得这些脉冲可能没有足够的时间到达高电平，从而无法打开电荷泵，因而也就没有办法检测 出此相位差。因此，如果输入的相位差a 中小于某个定值中0 ，这样l p f 输出的电压就不再是中 的函数，因为当a 中绝对值小于中o 时，电荷泵没有注入电流。这就意味着整个p l l 环路增益为零， 输出相位没有锁定。所以称在a 中= 0 附近有一个大小等于中o 的“死区”。图2 1 2 ( b ) 所示为 带有“死区”的p f d 的非理想特性曲线图。 r 一 - 一套霉卅刀 肜 。 溆 西 p 口皿， 一缸饕胡卅 陟匕 0瓤 a d 圈2 1 2 ( a ) p f d 的理想特性曲线( b ) 带有“死区”p f d 的非理想特性曲线 ( 5 ) 最大工作频率 p f d 的最大工作频率指得是：鉴相器能够稳定工作的最高频率。如果输入时钟信号的频率为 t c h 产2 t 。n ，根据前面的分析可知当= a ，此时p f d 输出的错误信息就会占周期的一半，因此就不 能连续的捕获频率锁定信息。所以，p f d 最大的工作频率就定为：尼w l ( 2 。) 。由此可见，k 。 与尼k ，矿成反比，k 。越小，尼酬就越大。 ( 6 ) 结论 根据上面p f d 各项性能指标的分析，在p f d 电路和版图设计中，考虑各项指标的相关性和重点 性。提高其鉴相精度，减小“死区”范围的主要办法是改进复位电路，增大其延迟k 。就可以增大 u p 和d o w n 脉冲的宽度，从而减小“死区”。但是当k 。增大时，就相应的增大，这样鉴相范围 就减小，捕获速度也相应地减慢；并且p f d 的最大工作频率庀m 也相应地变小。由此可见，“死区” 的减小和鉴相范围的提高是相互矛盾的，所以在保证良好的鉴相范围和捕获速度的前提下，改进p f d 的“死区”特性，提高其鉴相精度是本文p f d 设计及优化的重点【3 】【2 0 2 1 l 。 2 3 2 电荷泵设计中所要考虑的问题 ( 1 ) 电流失配问题 我们知道，由于p f d 的非理想性，即使在输入相位差为零的情况下，也会在u p 和d o w n 的两端产生窄的，重合的脉冲。如果r e f 和v c o 同时上升，u p 和d o w n 也同时变高，从而激发 1 0 东南大学硕士学位论文 复位。这样即使在p l l 锁定的状态下，u p 和d o w n 也会在有效的时间内同时打开电荷泵，这时上 下电流源同时打开，由于上下电流源的不匹配性，造成上拉与下拉电流间存在一个七p 的差异，使得 电荷泵产生的净电流不为零，而此电流差d ，c p 使得。在每个相位比较的瞬间都产生一个固定值， 将影响v c o 的最终输出，最终可能会造成整个p l l 环路的失锁。由此可见，失配电流主要是由于 上下电流源晶体管的不匹配性能造成的，也就是说晶体管的一些工艺参数决定了电荷泵失配电流的 大小口1 1 【2 4 4 2 5 1 ，如图2 一1 3 所示。 图2 1 3 电荷泵电流注入的失配( a ) 原因；( b ) 瞬态响应；( c ) 频率响应 ( 2 ) 开管时钟馈通和电荷注入的问题 在传统的单管式电荷泵电路设计中，电荷泵的输出电压被时钟馈通和电荷注入所干扰。当电荷 泵中的开关管关闭时，时钟信号的馈通及对开关管的电荷注入将影响v c o 的控制电压，进一步增加 相位误差，使得v c o 的控制电压发生波动o “。 - - i d o w n 嗨j o 冁一块 图2 1 4 单管式电荷泵电路的开关管部分示意图 单管式电荷泵电路的开关管部分电路示意图如图2 - 1 4 所示。开关管的时钟馈通量用电荷量 q 凹来表示，时钟馈通量q 印的计算表达式如公式( 7 ) 所示。由此可见，开关管的时钟馈通量 q c f 与开关管的n m o s 管与p m o s 管间的交叠电容及与其沟道宽度的不匹配相关。 如_ 2 k 呒一c 唧) 。如2 e 叶等+ 等 这里( 0 r 为晶体管单位宽度上的交叠电容；矿是晶体管的宽度。 ( 7 ) 第二章鉴相箍频器及电荷泵的理论基础 开关管的电荷注入量用电荷量q 凹表示。其电荷注入量踟的计算表达式如公式( 9 ) 所示，由 公式可知，开关管的电荷注入量q a 主要与开关管的宽长相关。 1 c “e 厶( 一。一) + 互1 c o x w p 。忆一) q 。= c o x w l o 么一2 k 。一+ ) ( 8 ) ( 9 ) ( 3 ) 电荷共享问题 图2 1 5 为全差分型c p 电路的开关管工作状态示意图。图( a ) 为s w l b 与s w 2 b 关闭而s w l a 与s w 2 a 打开状态，此时，节点i l s 与p s 的电压是与节点n b 的电压是相同的；图( b ) 为s w l b 与 s w 2 b 开启同时s w l a 与s w 2 a 关闭，此时，电荷就在节点l l s 与p s 处的电容和v c o 处产生共享。电 荷共享会造成v c o 节点的电压发生波动，导致假频分量的产生“。 牺ls 坩1 b 置s w j b 甜e o nl b ) 8 w 佃鑫s w - a 悖o n 图2 - 1 5 全差分型电荷泵电路的开关管工作状态示意图 1 、当s w l b 与s w 2 b 关闭，s w l a 与s w 2 a 开肩时： q 。= ( c 。+ c ：妒南。；纰= c 。k 。；q ，= c p , _ 。 a , o 。= q 。+ q 枷+ 靠。= ( c 1 + c 2 。+ 氏+ q ( 1 3 ) 注：q v c o a ，q ，重k 分别当s w l b s w 2 b 关闭时，v c o ，t l s 和p s 节点的电荷量。 v r c o 。为当s w l b 与s w 2 b 是关闭时，v c o 节点处的电压值： c 。为当s w l b 与s w 2 b 是关闭时，n s 节点处的节点电容； c 为当s w l b 与s w 2 b 是关闭时，p s 节点处的节点电容； 2 、当s w l b 与s w 2 b 开启，s w l a 与s w 2 a 关闭时； 此时，电容c ，c ? ，c 。和c 。产生电荷共享，v c o 节点处的电压和电荷量分别如公式( 1 4 ) ( 1 5 ) 所示： = 耳是巧= 譬豢警 ， q m = ( c 1 + c 2 此6 ( 1 5 ) 基于v c o 节点处的两种工作情况分析，由电荷共享所引起的干扰表示如下式( 1 6 ) m 强 r 咿 融 q 东南大学硕士学位论文 q = ( c l + c ：) ( 。一。) ( 1 6 ) 将公式( 1 4 ) 带入公式( 1 6 ) 中得出v c o 节点处由于电荷共享所造成的电荷干扰量4 q 的表 达式( 1 7 ) 。 如= 导裂( 。叱) ( 1 7 ) 设定r 是节点v c o 和节点n b 之间的电压差。这样d 如可以最终简化成公式( 1 8 ) ， 由此式分析，解决电荷共享问题最有效的方法就是使得v c o 节点电压和r i b 节点电压保持一致。 如= 筹剿一。 ， ( 4 ) 结论 根据上面c p 设计中所要考虑的问题的详细分析，在c p 的电路及版图的设计中，我们要考虑其 问题的相关性和重点性。在电荷泵设计中的开关的时钟馈通及电荷注入问题，可以通过采用互补差 分对管作为开关管的设计来解决。但是，p f d 的非理想性及工艺制造上存在的固有偏差是造成电荷 泵电流失配的主要原因，这是电荷泵在本身的设计中没办法解决的，只有通过添加优化电路才能有 效解决，所以，电流失配问题是电荷泵设计中最值得关注的问题。所以本文在设计电荷泵电路模块 时，重点考虑电荷泵电流失配的问题。 2 3 3 本文设计的指标要求 根据p u 环路设计的整体要求，以及p f d c p 性能指标的相关性及重要性，并根据i e e e 的论文 及相关的期刊论文【1 4 l 【1 5 l f “，我们选定本文所设计的电荷泵式鉴相鉴频器的性能指标要求为： 1 、p f d 的鉴相精度： l o o m 4 、c p 的失配电流量： 2 5 、p f d c p 的功耗： l o ，而改进型电荷泵的充电电流私放电电流的最大差鄹为( 2 。 第三章鉴相鉴频器及电荷泵的电路设计 12 10 08 0 6 0 4 0 2 12 l0 0e 0 6 04 0 2 电葡泵的输出电压v c ( v )电萄泵的输出电压v ccy ) 图3 1 2 电荷泵电流c o 与电荷泵输出电压的变化关系图 3 3 其他附属电路设计 3 3 1 p f d b i a s 产生电路的设计 图3 1 3 所示为p f d _ b i a s 偏置电压产生电路 的电路图。由电路可见，该电路结构简单，仅有 两个数字式倒相器和4 个n m o s 管构成。晶体管 n 4 做成电容，目的是为了滤除b i a s 偏置电压的噪 声。该电路主要有两个功能：其一，给p f d 电路 中所有的s c l 结构的基本单元提供偏压b i a s 。其 i a s 二，p l l _ e n 为整个p l l 环路的使能控制信号，该图3 - 1 3p f d _ b i a s 偏置产生电路 信号通过两级数字倒相器得出两个数字控制信号c t r l l 和c t r l 2 ，这两个数控信号既控制p f d 的输出 缓冲( b u f f e r ) 单元的有效输出同时也控制电荷泵c p 的充放电电流源有效的工作。 ( 1 ) 当p l l _ e n = 1 时： 此时，整个p l l 环路有效工作。c t l l l = p l l _ e n n = o ，晶体管n 2 截止；c t r l 2 = p l l _ e n p = l ，晶体管n l 上的栅电压为高电平( 3 3 v ) ，此时，晶体管n 1 处于线性导通状态，而晶体管n 3 处于饱和状态。 这样，根据公式分析可得b i a s 有效电压。 ( 2 ) 当p l l _ _ e n = “0 ”时： c t f l l = p l l _ e n n = l ，晶体管n 2 上的栅电压为高电平( 3 3 v ) ，此时晶体管n 2 线性导通； c t r l 2 = p l l _ e n p - - o ，晶体管n 1 截止，这样，晶体管n 3 就处于截止状态。此时b i a s 电压为零。 总之，p f d _ b i a s 偏置产生电路不仅可以给p f d 电路提供偏置电压b i a s ，而且同时通过p l l _ e n 即p l l 环路的使能端有效实时的控制p f d 和c p 的工作。 表3 7p f db i a s 偏置产生电路的器件参数表 i 倒相器中的p 管 1 2 u 5 0 0 n 倒相器中的n 管l 1 0 u 5 0 0 n n 1 l 2 0 u l u n 2 2 2 0 u 1u n 3l 2 0 p 1 un 4 5 4 2 0 h lu 具体电路的参数设定如表3 7 所示，n 1 和n 2 做开关管使用，一般正常工作在线性区域，而n 3 正常工作在饱和区中。当p l l _ e n = “1 j 整个p l l 环路有效工作时，晶体管n i 处于线性导通状态， 而晶体管n 3 处于饱和状态，忽略沟道长度调制效应，且。c 矗一般设定为1 8 0 1 0 ，同时 v , 一= 6 0 3 5 6 m v ，根据晶体管饱和状态下公式：b = 互1 以i w ( 一) 2 ，可以计算出p f d _ b j a s 东南大学硕士学位论文 = v g s = 1 0 1 1 v 。 3 3 2 电荷泵参考电流c p i r e f 电路的设计 电荷泵参考电流c p i r e f 的电路图如图3 1 4 所示。由图可见，i ，1 和i i 2 两路电流信号分别通过 电流镜1 和电流镜2 合成产生出电荷泵的参考电流信号c p _ i r e f 。k 1 、i c 2 、k 3 分别为上变频p l l 环路中的三个v c o 的开关，控制三个v c o 的切换工作。 ( 1 ) k 0 1 k 2 5 为电流镜l 的开关，它们正常工作时是顺次打开的，例如： 状态1 ：k 0 1 一一k 2 5 = 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ： 状态2 ：k 0 1 - k 2 5 = l1 0 0 0 0 0 0 0 o o ： 状态2 5 ：k 0 1 一k 2 5 = 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ： i 。l 在k 0 1 “k 2 5 为电流镜1 的开关作用下，产生电流1 1 为2 5 种电流。 ( 2 ) k 2 6 k 2 7 k 2 8 这三个开关信号直接由p l l 环路中的环路滤波器控制电路产生，原则上，三路开 关信号可以产生8 种信号值，可是在设计中，只有三种情况：k 2 6 k 2 7 k 2 8 = 0 0 0 ，1 0 0 ，1 0 1 。i i 2 电流信号通过这三路开关，产生出三种不同的电流1 2 。 ( 3 ) c p _ i r e f = - i i + 1 2 ( 1 由k i k 2 k 3 三个开关选择不同v c o 从而选择不同的电流组合) 图3 - 1 4 电荷泵参考电流c p _ i r e f 的电路图 茎婴兰鳖塑鉴塑登垦皇塑至竺坚里堡笪一 第四章鉴相鉴频器及电荷泵的版图设计 前面章节讲述了p f d c p 的具体电路的实现，本章从版图的角度出发，首先介绍模拟集成电路 版图的设计要点，再详细说明各个部分的版图设计，最后给出整个p f d 和c p 的整体版图结构e 1 模拟集成电路版图设计要点 鉴相鉴频器及电荷泵作为模拟集成电路，在版图设计中就要遵循模拟集成电路版图设计的要点。 模拟集成电路的版图设计有两个目标：使芯片的面积最小和将寄生器件对电路的性能的影响降至最 低幅度。前者是为了降低芯片的成本，后者是保证所设计出的版图和原电路具有相同的功能和性能。 在手工设计版图时，通过反复的几何尺寸优化和采用一些特有的版图设计经验( 通常称为模拟电路 的约束) 来实现这两个目标。 由于模拟电路的功能和性能指标强烈地依赖于电路中每一个元器件参数，而版图设计中不可避 免的寄生参数将使得元器件参数偏离其设计值，从而影响电路性能，因此，版图寄生参数、信号间 地辐合效应和器件失配效应是影响模拟集成电路性能的三项主要因数，是本文版图设计中应当特别 注意的问题【3 】。 4 1 1 版图寄生参数 在实际的电路原理中，器件之间的连线被理想化了，即连线电阻和电容都被视为零。然而，实 际情况并非如此，用于连线的每一个导体都会引入寄生电阻和寄生电容，它们将影响电路的性能。 由于这类寄生电阻和寄生电容分别与导体的宽长比和面积成正比，因此，这些对保证电路性能起关 键作用的连线应当尽可能短，从而要求将相应被联接的器件放置得越近越好。 除了连线之外，器件的几何形状也会引入寄生电阻