（微电子学与固体电子学专业论文）时钟产生系统中的锁相环电路设计.pdf

籀要 摘要 随着集成电路工艺向着深亚微米方向的不断发展，微处理器芯片的速度越来 越高，片外时钟已无法满足几百兆赫兹的要求，因此必须设计片内高频时钟发生 器。锁相环时锌发生器以其低造价、高性能、易于集成的优点成为工业上设计的 主流。此外锁相环电路的设计过程，涉及到信号与系统、集成电予学、版匿、半 导体工艺等方匿，难度比较大。因此，对锁栩环进行较深入的研究，掌握其设计 和分析方法，完善i p 库，为系统设计提供单元模块，是非常必要的。 本论文的主要工作是设计仿真微处理器芯片时钟产生系统中的锁相环电路， 电路结构采用当前的主流结构数模混合结构的三阶电荷泵锁相环。鉴频鉴相器 电路采用了一种由九个与t f - j 电路组成的经典电路结构，并设置了适当的复位延 时完全消除了鉴频鉴相器的鉴相死区。电荷泵的电路结构也在传统的结构上作 了一定的改进，该设计可以有效的减小开关开闭时的电荷共享效应。压控振荡器 采用改进的环型差分结构，压控电阻部分是由糯0 s 管组成的，这使得该压控振荡 器具有较好的抗电源嗓声能力。环路滤波器选用了二阶无源滤波器结构。此外在 论文靛前半都分系统地介绍了锁楣环的工作原理和数学模型，并在此基础上详细 介绍了适用予本设计结构的三阶电荷泵锁相环的线性模型。 论文最惹利用i a s p i e e 仿寞软件，在c h a r t e r e d 公司的0 1 3 u r nc m o s 工艺条件 下，完成了锁相环电路中几个关键部分一鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器和压 控振荡器的仿真，证明了设计工作的正确性。 关键词。时钟产生三阶电荷泵锁相环鉴频鉴相器压控振荡器电荷泵 a b s t r a c t a b s t r a c t a st h ei ( 3p r o c e s sd e v e l o p st o w a r d st h ed i r e c t i o no fd e e ps u b - m i c r o n , t h eo p e r a t i n g s p e e do fm p ui sr a p i d l yi n c r e a s i n g ，a n dt h eo u t s i d ec l o c ks o u r h a sn o tb e e na b l et o m e e tt h ef r e q u e n c yr e q u i r e m e n t so fh u n d r e d sm h z s oi ti sn e c e s s a r yt od e s i g n0 1 1 一c h i p h i g h f r e q u e n c yc l o c kg e n e r a t o r p l ld o c kg e n e r a t o rw i t hi t s l o w - c o s t , h i g h p e r f o r m a n c e , e a s yi n t e g r a t i o nb e c o m e st h em a i n s t r e a mo f i n d u s t r i a ld e s i g n i na d d i t i o n p l lc i r c u i td e s i g np r o c e s s ，i n v o l v i n gs i g n a l sa n ds y s t e m s ，i n t e g r a t e de l e c t r o n i c s ，l a y o u t , a n ds e m i c o n d u c t o rp r o c e s s ，i sv e r yd i f f i c u l t t h e r e f o r ei ti sv e r yn e c e s s a r yt os t u d y f u l t h e rt h ep l l , u n d e r s t a n dt h ed e s i g na n da n a l y s i sm e t h o d s ，a n di m p r o v ei pl i b r a r yf o r t h es y s t e md e s i g nm o d u l e s n e m a j o rw o r ko ft h i sp a p e ri st od e s i g nt h ep l l c l o c kg e n e r a t o rf o ram p u c h i p t h eo v e r a l ls 汀u c h l r eo ft h i sc i r c u i tu s e st h et h i r d o r d e rm i x e da n a l o gp h a s c a o c k e dl o o p s t r t l c l l l r e t h ep f di sc o m p o s e do fn i n en o r - g a t e s , a n dc o u l dc o m # e t d ye l i m i n a t et h e d e a d z o n e t h ec h a r g ep u m pu s e sai m p r o v e ds t r u c t u r ef r o mt h et r a d i t i o n a ls t r u c t u r e a n de f f e c t i v e l yi n h i b i t st h en o n - - i d e a le f f e c t s v c ou s e si m p r o v e dr i n gd i f f e r e n c e s t r u c t u r e , a n di t sv o l t a g e - c o n t r o l l e dr e s i s t o ri sc o m p o s e do fn m o s ，s oi t c o u l d e f f e c t i v e l yi n h i b i tt h ee f f e c t sf r o mt h ep o w e rn o i s e l o o pf i l t e ru s e sas e c o n d - o r d e r p a s s i v ef i l t e r f u r t h e r m o r et h ep a p e ri n t r o d u c et h ew o r kp r i n c i p l ea n dt h em a t h e m a t i c a l m o d a l s y s t e m a t i c a l l y a n d t h e ni n t r o d u c et h e 也i r d - o r d e rd e e t r i cc h a r g e p u m p p h a s e - l o c k e dl o o pl i n e a rm o d e li nd e t a i l f i n a l l yb yu s i n gt h eh s p i e es o l , r a r e , t h ep f d ，c p ，l l f ，v c oa n dd i v i d e ra r e a n a l y z e da n ds i m u l a t e dw i t hc h e e r e d o 13c m o sm o d a l t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w m a tt h e s ec i r c u i t sd e s c r i b e di nt h et h e s i sc o u l da c h i e v et h em a i nr e q u i r e dc h a r a c t e r i s t i c s k e y w o r d ：c l o c kg e n e r a t o r , t h r e e - o r d e rc p p 【上，p f d ，v c o ，c p 露安电子科技大学学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所里交的论文是我个人在 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 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 采；也不包含为获得西安电子科技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傲了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：至壁日期垒竺! 翌：f ：兰墨 关于论文使用授权的说明 本人完全了解珏安电子科技大学有关傈髂和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属磷安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人签名： 导师签名： 王璐 日期兰塑：! ：鉴 日期翌噬：! ：竺 绪论 第一章绪论 锁糯技术是一门实现相位自动控制的学科，是专门研究系统相位的技术。利 用锁相技术而成的锁稆环p l l ( p h a s c l o 呔e dl o o p ) 是一个闭环的相位自动控制系 统，它的输出信号能够自动跟踪输入信号的相位变化，也可以将之称为一个相位 差自动跟踪系统，它能够自动跟踪两个信号的相位差，并且靠反馈控制来达到自 动调节输出信号相位的圉憋。 1 ，1 国内外发展背景 锁相技术的发展已有三百多年历史，1 6 6 5 年霍金斯第一个获取了锁相原理的 第一手观察资料，当时健注意到并肩挂在墙上的两座摆钟的运动实现了长期同步， 准确匹配得像机械装置一样。他假定并肩挂在墙上的两座摆钟之间发生一种共振 现象，结果两只钟会走得一样快慢，它们是通过空气媒质得到了相互支援，也就 是说它们相互支援达到了相互之闻的相位锁定。他第一次给出了两个振荡器之润 出现相位锁定的物理解释，但是因为当时科学技术条件的限制没有得到应有的发 展和广泛的重视。 锁相技术的理论基础是自动控制理论。旱在1 9 3 2 年法国工程师b c l l c s c i z e 提出 同步检波理论，首次公开发表对锁相环的描述。1 9 4 7 年，锁相环第一次应用于电 视接收机的水平和垂直扫描的同步系统中，它可以抑制外界噪声对同步信号的干 扰，使电视图像的同步性能得到改善。利用锁相环的窄带滤波特性滤除噪声，使 行扫描振荡器跟踪输入行阕步信号，并使其同步，使电视荧光屏上的蓬像稳定清 晰。此后，锁相环开始得到了越来越广泛的应用。五十年代，随着空闻技术的发 展，j 撩和r e c h t i n 利用锁相环路作为导弹的跟踪滤波器获得成功，第一次发表了 包含有噪声效应的锁相环线性理论的文章。六十年代，v i t c r b i 研究了无噪声锁相环 的非线性理论闯题，同时发表了相干通讯原理。七十年代，l i n d s c y 葶爨c h a r l c s 进行了有噪声的一阶和二阶，以及离阶锁相环的非线性理论研究。直到现在，各 国的科技人员还在对锁相环技术的理论和应用进行广泛丽深入的研究。我国对镂 相环技术的研究起步较晚，直到七十年代束才开始对该项技术展开广泛的研究。 七十年代前，由于当时技术的复杂性以及较高的成本，锁相环技术的应用领域主 要在航天方面以及性能要求较高的精密测量仪器和通信设备中，到了7 0 年代后， 随着大规模集成电路技术的发展与成熟，出现了越来越多的集成锁相环，锁相环 逐渐变成了低成本、高性能的多功能组件，使锁相环在许多技术领域获得广泛的 2 一 时钟产生系统中的锁相环电路设计 应用。同时锁相环作为一个基本的i p 单元，被广泛应用于无线通讯和微处理器的 时钟电路，对于其工作频率、功耗、噪声特性、锁定速度、芯片面积、工艺成本 帮设计成本等方蕊的研究逐渐成为人们关注的焦点。 虽然锁相环技术已经出现了7 0 多年， 的发展对它的性能又不断提出新的要求， 但由于其应用领域广泛，而且随着科技 所以宣以来锁相环路的设计与分析都 是集成电路设计者的热点。设计者们不断提出新的结构和一些新的分析方法以满 足不同应用的需要。可以看出对锁相环路的研究主要包含以下几个方面： 一方面是在原有p l l 结构的基础上提出了很多全新的整体设计结构和性能优 越的子电路模块结构。像m s t o r k 在2 0 0 2 年发表的种基于s i g m a - d e l t a 的锁相环路 频率综合器转1 ，可数实现小数分频；c h a o x u 和w 遗s l o ws a r g e a n t 在2 0 0 1 年提出的一 种双环的电荷泵锁相环路，它的锁定范围能达至0 2 g h z ，信号抖动小于3 5 p s 璐3 等等， 都是有定代表意义的结构。而子电路模块的研究主要体现在新型鉴频鉴相器、 电荷泵和压控振荡器的设计上。 另一方面，随着对锁相环频率合成器频谱纯度要求的增高，锁相环电路也从 基本的二阶发展到三阶或更高阶，高阶锁摆环设计中最大的阀题就是环路的稳定 性闻题隆3 ，在这方面也不断的有人在研究中。 同时随着微电子技术的迅速发展，芯片的集成度以及系统的工作频率都得到 了极大的提高，锁相环电路的制造工艺也有所发展。对于频率超过g h z 的高速锁相 环来说，为了适应速度的要求，早期主要使用3 5 族的化合物半导体来实现，随着 集成电路技术的发展，九十年代以来主要采用b i c m o s 技术来实现。而对于采用 c m o s 技术实现的锁相环，早期由于受到工艺技术豹限制，其频率一般不高。当工 艺技术跨进亚微米时代蜃，数酉兆赫的锁相环已经可以利用c m o s 技术实现了。随 着c m o s i 艺技术的进一步发展，越来越多韵高速锁相环己经可以用c m o s i 艺来 实现。 在分析理论方面的研究也在不断深入审，不断的有人提出新的分析模型和分 析方法，其中主要以压控振荡器的分析为主，例如p r a s h a n tg o y a l 提出了种压控 振荡器的快速分析法卿。 1 2 研究露的与意义 作为通讯系统应用最为广泛的一个模块，锁相环电路在高速处理器的时钟产 生与同步中有着重要应用。锁相系统在本质上讲是一个闭环相位控制系统。简单 的说，它指的是一种能使锁相环的输出时钟信号在频率以及相位上与输入参考时 钟信号鼹步的电路，即系统进入锬定状态( 或同步状态) 后，锁相环输出的时钟与 输入参考时钟之间相位差为零，或者保持为常数，而频率则完全相等。正是由于 绪论 3 一 锁相环电路具有如此独特的优良性能，能满足高速数据处理对系统时钟生成与分 配的严格要求，因两它是高速处理器时钟产生电路的较好选择。 锁相环在实现时钟生成方面其有以下特点： 1 ) 能产生占空比可控制的内部时钟。许多处理器的控制逻辑需要精确的占空比 为5 0 的时钟。集成在芯片内部的p l l 可以将外部时钟合成为符合要求的内部时钟， 并且从内部触发处理器要比从外部触发更快丽虽更准确，这是系统集成锁相环的 一个优点。 2 ) 片外元件少，便于集成。常用的时钟产生源，如石英晶体振荡器却无法集成 在芯片内部。 3 ) 便于系统内部同步以及和其它芯片同步。常用的时钟产生源由于无法集成在 芯片内部，其时钟驱动的延时较大，面嵌入在处理器内部的锁相环可以减少时钟 驱动的延时。 基于以上锁相环电路的诸多优点，研究应用于时钟产生系统的锬相环电路设 计就具有重要的实践意义。本论文的锁相环电路设计就源于一个微处理器时钟产 生系统中的锁相环电路，该锁相环电路采用的是c h a r t e r e d 的0 1 3 u m c m o s 工艺。 1 3 锁相环的分类 至今出现的锁棚环结构大致可以分为以下几个类别： 王) 线性锁相环( l i n e a rp u ：即由纯模拟电路构成，其中鉴相器为模拟乘法 器，该类型的锁相环也被称作线性锁褶环； 2 ) 混合信号( m i x e d s i g n a lp l l ) 锁相环：即彘模拟和数字电路构成，鉴相器由 数字电路构成，翔异或门，j k 触发器等，而其饱模块由模拟电路构成； 3 ) 全( a 1 1 d i g i t a lp l l ) 数字锁相环：即由纯数字电路构成，该类型的锁相环的 模块完全由数字电路构成两且不包括任何无源器件，如电阻和电容； 4 ) 软件锁相环( s o r w a r ep 乩) ：其功能由计算机软件实现。 通常情况下，混合信号锁相环的应用最为广泛，尤其是其中的电荷泵锁相环 ( c p p l l ，c h a r g ep u m pp l l ) 。实践证明c p p l l 具有高速、低功耗、低抖动的特性， 是设计实现锁相环的一个简单、高效的方法。通过环路带宽、阻尼因子、锁定时 间等变量的折衷，可以对c p p l l 进行灵活的设计。c p p l l 一般用数字电路实现环 路中的分频器和鉴频鉴相器，环路滤波器使用无源低通滤波器，压控振荡器等其 它电路单元还是模拟电路。它主要用于频率综含，时钟产生等领域，是謇前应雳 最为广泛的一种p l l ，本论文设计采用的也是c p p l l 。 第二章锁相环工作原理和性能分析 第二章锁相环工作原理和性能分析 2 1 锁相环基本原理 锬相环路是一种反馈控制电路，篱称锁褶环( p 江) 。锬相环的特点是利用外 部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。圈2 - 1 示出了最基本的 锁相环方块图。它包括三个部分：鉴相器( p d ) 、环路滤波器( l f ) 和压控振荡 器( v c o ) 。 设参考信号 式中 设输出信号 式中 u ， c o o 岛( f ) 图2 1 镁相环方块照 u d t ) = u r s i n c o t + o d t ) 】 为参考线好的幅度 为参考信号的载波角频率 ( 2 - 1 ) 为参考信号一起载波相位训为参考时的瞬时相位。若参考 信号是未调载波时，口，( f ) = 执= 常数 u o ( o = u 。s i n o 晦t + 0 0 ( 0 ( 2 - 2 ) u 夺 为输出信号的幄度 铷 为压控振荡器的自由振荡角频率 o o ( t ) 为输出信号一起载波相位c o o t 为参考的瞬时相位。在v c o 未 受控之前它是常数，受控后它是时间的函数 则两信号的瞬时相位差为： 矽e = 跋) 澎+ 护r 卜【纨f + 如o ) 】 = ( 曲一纰) f + 0 ，一o o ( t ) 由频率和相位之间的关系可得两信号之间的瞬时频差为： 矗拶。( f ) d o o ( t ) o = 西一锄一一 d td t ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 6 一 时钟产生系统中的锁相环电路设计 下面我们分别介绍图2 - 1 中三个部件的作用。鉴相器( p d ) 是相位比较装置， 它把输出信号r e ( t ) 和参考信号u k t ) 的相位进行比较，产生对应于两信号的相位差 0 4 t ) 的误差电压u a ( t ) 。环路滤波器( l f ) 的作用是滤除误差电压u a ( t ) 中的高频成 分和噪声，以保证环路所要求的性能，提高系统的稳定性。压控振荡器( v e 0 ) 受控制电压纨( f ) 的控制，u k t ) 使压控振荡器的频率向参考信号的频率靠近，也就 是使两者频率之差越来越小，直至消除频差丽锁定。 现在我们简要介绍整个锁相环的工作原理。首先鉴相器( 硒) 把输出信号u o ( t ) 和输入信号的u k t ) 进行比较，产生一个反映鼹信号褶位差锻站大小的误差电压 u a ( t ) 。u a ( t ) 经过环路滤波器( l f ) 的过滤得到控制电压“。( f ) 。( f ) 调整v c o 的 频率向参考信号的频率靠拢，壹至最后两者的频率相等丽相位周步实现锁定。锁 定后两信号之间的相位差表现为一固定稳态值。即， _型=0ltrn ( 2 5 ) - = k 么一0 j | _ 。d t 此时，输出信号的频率已偏离了原来的自患振荡频率绥( 控制电压u 4 t ) 卸时的频 率) ，其偏移量由式( 2 - 4 ) 和式( 2 - 5 ) 得到，为： 丝盟譬劬一弛( 2 6 ) 密 这是输豳信号的工作频率已变为： 旦f 僦+ o o ( t ) 1 = 魏小d o o ( t ) = 魏 ( 2 7 ) 廊 。 面 由此可见，透过锁楣环路的相位跟踪作用，最终可以实现输出信号与参考信 号同步，即两者之闻不存在频差蔼只存在很小的稳态相差。这种独特的功能在构 成锁相频率合成器时是十分有利的。 在图2 - 1 所示的锁相环的反馈支路中，插入一个分频器( 蝌) 就可构成一个 最基本的单环锁相频率合成器，如图2 - 2 所示。 豳2 - 2 单环锁楣频率合成器 在凰2 - 2 中，鉴相嚣不是直接比较参考信号和输出信号，两是比较输出信号 分频后的信号。在环路锁定时鉴相器两个输入端的信号频率相同，即 蓐嚣黟 ( 2 8 ) 压是v c o 输澎频率经n 次分频后得到的，即 压鬻蓐n 所以输出频率 第二章镂裙环工作源瑗和性能分析 了 一 喇 ( 2 9 ) 是参考频率多的n 倍。 这样，带有可变分频器豹锁相环就提供了一种麸单个参考频率获樽大量频率 的方法。 2 。2 电荷泵锁相环 电荷泵锁相环( c p p l l ) 锁定速度快，捕获范围仅受v c o 调解范围的限制， 著忽略不匹配和泄漏电流，静态相位误差力零。 电荷泵锁相环是由鉴相鉴频器( p 固) 、电荷泵( c p ) 、低逶滤波器( p f ) 、 压空振荡器( v c o ) 和分频器( 州) 组成，如图2 3 所示。 图2 0 电葡泵锁棚坯结构图 掇据所采用的鉴相器和环路滤波器不同，锁相环有很多类型。如图2 - 3 所示的 叫做电荷泵锁相环，和其它类型的锁相环相比它有许多优点：熏) 该类型的锁相环 的签相器采用了既可以鉴相叉可以鉴频的相位频率探测器( p f d ) ，锁相环路可以获 得几乎无限的捕获带宽；2 ) 在使用无源低通滤波器的情况下，锁定时可以达到零 相位差，而传统的线性锁相环则需要使用带有高增益放大器的有源低通滤波器。 这样，不仅能够降低设计难度，也可以减小由放大器本身所引入的噪声；3 ) 使用 主流的c m o s 集成电路技术制作该类型的锁相环也相对容易一些。 2 2 王鉴频鉴相器 鉴频鉴相器的优点是能同时检测相位和频率的差值，与鉴相器比较鉴频鉴相 器具有较大的捕获范围( a c q u i s i t i o nr a n g e ) ，以及较快的锁相速度( l o c ks p e e d ) 。 鉴频鉴相器所实现的功能如图2 - 4 所示。 时钟产生系统中的锁相环电路设计 a b p f d q a q b 妒一书加 龇举铆 ( a ) ( b ) 圈2 qp f d 的工作原理 在图2 - 4 中，a 和b 分别为参考信号和分频器的反馈信号，q a 和q b 为聊和 d o w n 脉冲。图2 - 4 ( 鑫) 孛两个输入信号的频率相等，馋相位不同。当a 相位领 先予b 时，输掇q a 不断产生宽度与如一如成正比的脉冲，丽q b 输嬲保持为零( 如 图2 - 4 ( a ) 所示) ；当b 领先予a 时，q b 输出宽度与加一加成正比的脉冲，q a 输 出保持为零。图2 - 4 ( b ) 中a 比b 的频率高，相当于a 领先于b 的相位，所以q a 有脉冲输出面q b 没有；反之，如果b 比a 的频率高，则q b 有输出脉冲而q 没有。 a b 瑚 d o w n 扣厂 厂 厂 厂 酗厂 厂 厂 厂 印 nnlf 1 一l lll 鬯2 - 5p f d 电路的实现 霉2 - 4 所示的功能有多种实现方式，在图2 - 5 中示出了一种简单的实现电路， 它由两个p 触发器和一个与门组成，a 和b 分别接两个触发器的时钟输入端，d 触发器的数据输入端恒为高电平，输出分别为u p 和d o w n 信号。该p f d 可以处 于下列四种状态之一： u p = 0 ，d o w n = 0 u p = i ，d o w n = o u p = o ，d o 稿，n = l u p = i ，d o w n = i 但是，第圜种状态通过加入一个与门被禁止粥现。哭要两个触发器的状态都 a b 姒 第二章锬提环工作原理翻性能分柝 9 一 为一，它们的渍零端将出现逻辑离电平，将嚣个触发器复位。因此该器件可以当 作三稳态器件我们将状态一、状态二、状态三分配给这三种状态。 u p = 0 ，d o w n - i 状态一 u p - - 0 ，d o w n 卸状态二 珊= l ，d o w n = o状态三 p f d 的实际状态由信号a 和b 的上升沿决定，如图2 - 6 状态转移图所示，信 号a 的上升沿将会傻p d f 从状态一进入到状态二，丽信号b 的上升沿将会傻p d f 从状态二进入到状态一。如果仔细麓察图2 - 6 我们不难发现，当环路处于未锁定 状态时，如果嬲 伽，那么在单位时闻内，a 的上秀沿冼b 的上升沿出现的多， 在这种条件下p f d 只能在状态二和状态三之间反转，决不会进入状态一。而如果 蜘比翰大的多，那么p f d 的大部分时闻将处于状态三。但如果龇 鳓时正的电荷在 电容g 上不断积累，从甄对p f d 产生了个无穷大的支流增益。类似的如果脉冲 出现在渊中，电流k 从电容g 上取走电蕊，使得向零变化。第三秘状态中 u p = d n - - 0 ，保持为常数，此时为环路锁定状态。在设计电荷泵时要尽量保证 b 一m b ，这样l f p 输出电压的大小就完全取决予u p 和d n 信号的脉冲宽度椰与 t 血的差，也就是取决于p f d 输入信号的相位差。 通过上面的分析我们得到了一个重要的结论，如果偏移与失配可以忽略，那么 采用p f d 实现的锁相环锁定时，a 信号与b 信号之间的相位差为零。因为一个极小的 相羞都会导致电容g 上的电蔫无穷尽的积累。 a 器 v o w a 厂 厂 厂 厂 黔厂 厂 厂 厂 u p nr 门门 一lll l v o u r 图2 - 8 带电荷泵的p f d 电路 第二章锬相环王俸豫理耩性能分析 下面我们来分析一下p f 蛰翱电荷泵的增益瀚数磊锄，我们假设：签频鉴相器输 入信号的周期为t a ，魏为输入信号频率，输入信号与输出信号的相差为侥，电荷 泵的泵电流大小为k ，则在一个输入信号的周期内，鉴频鉴相器的导通时间为： 鑫辨= 织，翻嚏( 2 - 1 1 ) 因戈只有在导通时阗内电荷泵才有泵电流通过，才对低通滤波器的电容充放 电，所以，在输入信号的一个周期内流入( 或流出) 低逯滤波器的平均电流应为： 如= 如尝= 局甏警等 渤 麸土式可黻看出，流入( 或流如) 滤波器的平均电流与输入信号频率无关。因诧 可以得到鉴频鉴相器和电荷泵共同使用时，输出电流对输入相差的传递醺数为： 删= 导蝌 ( 2 1 3 ) 由此可得p f d 和电荷泵的增益函数就为： 晒= 厶2 z( 2 1 4 ) 这里需要注意的是在上面的分析中，我们用平均电流近似了电路的瞬态过程， 也就是说这一分析并不适耀予锁相环工作的大部分情况，但是在反2 z 的情况 下，这一近似的误差是可以接受的。由于锁相环电路的其他部分都是线性的，所 以此时的锁相环系统我们可以将它看作一个线性系统。这个问题我们将在下一章 详细讨论。 2 2 。3 环路滤波器 由p f d 控制的电荷泵的输密毽含多种信号分量。锬相环处于锬定状态时，这些 分量的第一项为靠直流分量，它的值近似正比予相位误差侥；剩下的分量都是 频率为2 d o r ，4 0 ) r ，的“交流 分量。由于这些交流分量为无用部分，它们将需 要被环路滤波器滤除。由此可见，环路滤波器要起着抑制高频分量，保翟低频分 量的作用，因此要采用低通滤波器。同时它还有保证环路的稳定性，改善环路的 跟踪性能耪嗓声特性。它是一个i l 暑常重要的部件，对环路的参数调整起着决定性 的作用。 在锁榴环电路中，环路滤波器种类很多，一般可分为无源滤波器和有源滤波 器。两者都主要由电阻、电容或电感等线性元件组成，不同的是后者包含有运算 放大器而前者没有。无论哪种滤波器，都可以看作是一个线性系统。无源环路滤 波器能简化设计，不会弓l 入太大的噪声，同时没有功耗要求，不用考虑其工作范 1 2 时钟产生系统中的锁楣环电路设计 围，但不足就是由于无源器件的引入，使得芯片面积增加。 对于电荷泵锁相环来说，有源滤波器毫无必要，反两引入更多的噪声瞄。，所以 电荷泵锁相环都采用无源环路滤波器，常用的有二阶或三阶无源滤波器，下甄我 们就讨论一下二阶无源环路滤波器。电荷泵锁相环中的无源r c 滤波器的发展经历 了一个过程，最初无源r c 滤波器采用单电容结构来实现低通滤波，但e l l 子这种结 构在锁相环系统中引入了极点，因而锁相环存在稳定性问题。对单电容结构的改 进是在电容上串联一个电阻由于电阻可以萼l 入一个零点从而解决了稳定性闻题， 但这种一阶r c 滤波器阕样存在闼题，它会造成滤波器输出电压的波动，这在锁桷 环锁定时就会造成压控振荡器的输出频率变化产生输出噪声，这是我们不希望的。 最终采用二阶r c 滤波器较好的解决了这个闯题，它通过在一阶r c 滤波器旁边并联 一个较小的电容，从而有效抑制了滤波器输出电压的波动。当然并联这个小电容 后由于又引入了极点所以整个锁相环的设计要注意稳定性问题。 图2 - 9 给出了三阶电荷泵锁相环系统中常用的二阶滤波器的电路图和传输函 数的波特图。该滤波器由电阻灭和电容c t ，再加上一个小电容c 2 组成。这是一个 将电流到电压的积分转换电路。输入为电荷泵的逛流，输出为v c o 的控制电压。 其传输函数如下： f 葶) = 孚( s ) = ( 去+ r ) i i 去( 2 - 1 5 ) j 舻 j o ij 0 2 f ( s ) ：；一篷! 墨蔓 ( 2 1 6 ) s c l c 2 r + s c , + s c 2 如果定义两个时常数室t 嚣r c i ，f 2 嚣r ( 券) 代入上式得： o l 十乙2 f 饼= 三逊坚生 ( 2 一1 7 ) 静l g 2 l + s t 2 ) =粥8 霸t p a )蜘) 图2 固二阶低通滤波器电路图与传输函数的波特图 其中，一般取c 2 远小于c - ，通常为1 l o 左右。环路滤波器主要作用有两个： 一是提供一个在原点韵极点，使得锁相环对相差信号有一个积分的运算，对直流 第二牵锁福环工作骤理和性能分析 1 3 的相差有无穷大的增益，实现整个锬裾环的无相差锁定。= 是给环路贡献一个零 点，进行相位超前补偿，使环路系统交得稳定。e ：弓| 入了一个额外的高频极点可 以更好的抑制带宽以外的噪声。 2 。2 4 压控振荡器 在锁楣环路中压控振荡器起着将控制电歪转换为输穗频率和相位的作用。振 荡频率和相位受滤波器输磁电压的控制，从而使输出信号的频率帮相位隧参考信 号的频率和相位的变纯而变化，近面完成环路的相位跟踪功能。压控振荡器是锁 相环中最关键的部件，它直接产生输出时钟信号因而它的性能直接决定整个锁相 环的性能。压控振荡器的工作频率范围决定了电荷泵锁相环的捕获范围，它的噪 声抑制能力决定了锁相环的噪声性能。压控振荡器的种类较多，包括环型振荡器 l c 调谐振荡器、电压控制石英振荡器。电压控制石英振荡器的相位精确，但不能 集成而且成本高；l c 调谐振荡器由予要用到电感，增加了玲工艺集成的难度；环 形压控振荡器以其相位准确，并可集成在集成电路芯片中而成为当前研究的热点。 下面将着重讨论环形振荡器。 图2 - 1 0 是一个由反相器组成的环形振荡器，其工作原理为：控制电压改通过 改变内部电路的电流，或者改变节点的电阻，将造成内部延时单元的单位延时改 变。各级延时变化后，就造成整个闭环的周期改变，即输出时钟频率改变。若设 单个延时单惩的延时为而延时单元共有n 级，则输逆信号频率为： f o u rw 面 ( 2 - 1 8 ) 嚣形振荡器的级数n 是凑各种要求决定的，包括速度、功耗、抗噪声能力等。在大 多数应用中，三到五级就可以提供最佳性能。壶反耀器组成的环形压控振荡器的 级数数必须是奇数，这样电路才不会锁定。比如由五个反相器组成的环形振荡器， 提供的频率为l ( 1 0 孙) 。但差分结构的振荡器的电路级数可以是偶数，只要将 其中的一级接成不反相的，这种灵活性是差动电路优于单端电路的优点。 在锁相环中要求振荡器的频率是可调的，所以我们要在振荡环路中加入外部 信号可调节的的部分。下面以环形差分压控振荡器为例，分析一下它的压控振荡 原理。与单端结构相比，差分结构因其显著的特点丽被普遍采用，如相对较高的 工作频率，较好的共模嗓声、环境嗓声和电源噪声抑制能力，所以差分结构比较 适合设计数模混合电路，因为数字电路的开关状态转换对电源的扰动较大。但是 差分结构的电路比较复杂，也会引入很多的器件噪声。差分环形振荡器的应用比 较广泛，延迟单元的结构也是多萋孛多样，如果按照控制电路所处的位置可以把常 1 4 时钟产生系统中的锁相环电路设计 见的差分振荡器分为：负载电阻控制型；尾电流控制型；反馈信号控制型。 弘蚴 叫孙 | 一 孙 - 一 u i 。厂 l叫孙 豳2 - 1 0 使用翎o s 反相器的环形振荡器及其波形 王。负载电阻控制型 图2 - i l 所汞的是一个传统的负载电阻控制型延迟单元。，m 3 和m 4 工作在三级 管区，每个品体管都可以被看作是一个由v c o n t 控制的可交电阻。当v c o n t 变得更正 时，m 3 和m 4 的导通电阻增加，因而增加了输出时闻常数f ，从而降低了振荡频率 触。如果m 3 和m 4 保持在深三极管区，那么： 弘胁3 ，4 缸石瓦嵩石而 。” 彤删 图2 一l l 负载电阻控黼型基本延迟单元 在上面的等式中，负载电容表示从每个输出结点到避看到的总电容。电路 第二牵锬相环王作叛理筹爨性能分析 1 5 延时大约与f 成正比，从两 1 尹c ( 等) 3 ，4 ( 殇澎一一| 胁1 ) 知o c j - 万一 ( 2 2 0 ) _ l d乙五 可以看出，加与t 成线性关系。但在实际的电路中，当控制电压的调节范 围较大时，这种结构的线性度较差。另外因为工作在三极管区的p m o s 可变电阻受 偏星条件翰黔一撑t 的影嚷较大，所以这种结构对电源噪声的掷制能力较差。 2 尾电流控制型 尾电流控制型也是一种传统的延迟单元，如图2 - 1 2 所示，这里把负载电阻接 成了二极管形式，通过改变差分对的尾电流来改变延时，从而改变振荡频率。图 中r 控制着尾电流风，一般情况下，风有多种电流形式，可以是单独的电压控 制电流源，可以是邋过镜像的压控电流源，也可以是耄单一的姻s 篱来作为电流源， 因失蜃两种的结构比较篙单，易于集成，比较常用。 d e l a yc e l l d e l a yc e l l 、，i 一已袖一已瓶一已一已 v i 卜叫i i - 一i 叫|m tm 2 h 1 乙 m tm 2- j 卜 卜 i 。一c ； 一匕 1 基1 2 - 1 2 尾电流控制燮基本延迟单元 如果输入v i n 的振幅足够大，那么尾电流将在差分对的两个管子之闻隧v i n 来 回切换，假设v s w 是输出信号的峰峰值，c l 是负载电容，那么每级的延迟可以表 示为c i 。v i n 履s s ，振荡频率 s s t o u to c；万一(2-21) o l ys w 可以看潞振荡频率与尾电流成线性关系，并且毽s 的调节范匿直接影晌振荡器 的调节范围，同时1 8 s 的线性度也决定了振荡器的线性度。 负载电阻控制型和尾电流控制型都有一个严重的缺点：电路的输出摆幅在整 个调节范围内变化相当大。在完全切换时，每级的差动对输出摆幅为2 i s s x r 3 , 4 ，因 此无论i s s 还是r 3 一，如果要求调节范围有2 比l 的变化，就转变成了二倍的摆幅变化。 3 反馈信号控制型 时钟产生系统中的锁相环电路设计 这种结构通过改变反馈或耦合信号的强弱。间接的改变振荡频率。比较典型 的应用如图2 1 3 川引。 v d d v w 图2 - 1 3 交叉耦合延迟单元 v c 瞅通过晶体管m 5 并l m 6 a - 接的改变负载晶体管的栅极电压并控制着交叉耦 合( 反馈) 豹强弱。当v c 伽变低时，反馈变弱，对负载的驱动电流变强，延迟减小； 相反，当v c o n t 交高时，反馈将阻止差分管输出电艇的切换，延迟时阗增加。这种 电路的特点是噪声抑制能力比较好，但调节范围缩小了。 v c o 配嗍 图2 - 1 4v c o 的定义。 7 解7 匿控振荡器的功能和基本的电路结构后，我们来讨论下它的数学模 型。实际的压控振荡器的一般是非线性的，且其工作频率存在上下限，当控制电 压超出了其工作范围盾，压控振荡器的增益会下降，此时压控振荡器的振荡频率 将不再增加。如果控制电压超出环路振荡的条件，则压控振荡器甚至不再振荡。 对于压控振荡器在其正常工作范围内的情况，其输出频率和控制电压有下面的近 第二章锁摆环王作原理署爨性能分析 似线性关系。 o a , u t = c o o + k r c o 玩删 ( 2 - 2 2 ) 如图2 - 1 4 所示，c o o 表示对应于= o 时的截距，k v c o 表示压控振荡器的增 益( 单位为r a d ，葶。y 。v c o 的调节范围为c o2 一o ) t 。 上面的式子给出了v c o 的输出频率与控制电压之间的关系，丽在锁相环路中， v c o 的输斑对p f d 起作用的不是瞬时角频率，而是它的瞬时相位，所以我们还需 要得出一个相位与控制电压的关系式： ，( f ) 露f = c o o t + k v c 。r u c ( t ) d f治2 3 ) 由上式可知以m o t 为参考的输出瞬时相位为： 拶。( ) 絮k v c o 互u e ( t ) d v ( 2 2 4 ) 由 此可见，v c o 在锁相环中起了一次积分作用。若将上式两边取拉式变换，则可得： o o ( s ) = k v c o u c ( s ) ( 2 2 5 ) 2 2 s 分频器 分频器是锁相环用于频率合成时的一个重要的组成部分，尤其在高频工作环 境下，由于分频器不停的进行开关切换，不仅会带来电源、地的噪声，同时也增 加了器件的功耗，爨此，分频器设计的好坏，也将影响锁相环系统的性能。分频 器般都是由门电路和触发器组成，最常用的分频器都是由d 触发器构成的。对频 率和功耗要求较蔫的锬相环电路，一般结构豹p 触发器组成的分频器并不能满足速 度和功耗的要求。因此，对于分频器的研究主要集中在对不闷d 触发器结构的研究 上，甚前比较常用的主要是采用t s p c 电路w 实现和采用s c l 电路h 实现。 2 3 锁相环的工作状态 在2 - 1 节中我们分析了锁相环的同步过程，锁相环在实际王作可以有两秘工 作状态；锬定状态和失锁状态。在两种状态之间互褶转换的过程也可以分为两种， 下面我们简要介绍一下锁相环的这两种状态和两种过程。在第三章我们再单独介 绍捕获过程。 1 ) 锁定状态：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，压控振荡器鲢电压控制傣号应该接近平缓。 时钟产生系统中的锁棚环电路设计 2 ) 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。当环路的结构设计有问题的时候或是输入 信号没有满足系统要求的时候都会进入这个状态。这个状态意味着环路没有正常 工作。 3 ) 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 减少的过程。 4 ) 阉步过程：是指锁相环路处予锁定状态时输入信号频率或相位发生变化，环 路能逶过皇动调节，来维持锁定状态的过程。由输入信号频率或者相位的变化两 引起的相位误差一般都不大，环路可视作线性系统。 第三章锁相环路分析 第三章锁相环路分析 3 。l 电荷泵锁相环线性模型 1 9 由于p f d 帮c p 电路的弓| 入使得整个锁相环电路变成了离散的、非线性的，这 就使得电荷泵锁相环电路的分析交得十分复杂。但是在锁稆环电路己经锁定状态 时，如同其他反馈系统的情况一样，可以利用线性近似来简化锁相环的设计工作。 在第二章对鉴相器的分析中我们可以将鉴相器和电荷泵的增益用一个硒代替，其 大小为鉴相特性曲线的斜率，定义为胁= 岛，2 筇。环路滤波器可以用一个传递蘧 ，( s ) 代替，压控振荡器的传递函数用酬s 代表。分频器就相当予一个除n 电路， 表示为v n ，综合上面的各个部分，可以得到锬相环路的线性模型图3 - 1 所示： 图3 - 1 锬福环线性模型 上醑串拶耐为输入参考信号，为输出信号。要分析环路需要得出三个传递 函数，歼环传递函数、闭环传递函数和相位误差传递函数。根据控制理论，环路 的开环传递函数为： h o ( s ) = k p o f ( s ) _ k v c o ( 3 - 1 ) i v o s 闭环传递函数 胃汹譬堕熊：堡盟= 型塑 ( 3 2 ) 目阿( s ) l + 胁( s ) n s + k e v k r c o f ( s ) 相位误差传递函数 1 - i , ( s ) 慧堡：! 妻2 = 。! =一。 ( 3 3 7 分阿( s )l + 赫o )n s + k e o k v c o f ( s ) 在电路控制理论中常用的做法