（微电子学与固体电子学专业论文）用于gps接收机的全集成锁相环设计.pdf

虫塞摘要 中文摘要 摘要：g p s 接收机在当今社会有着广泛的应用，而锁相环是g p s 接收机中最为关 键的模块之一，它为g p s 接收机的混频提供精确的本地振荡信号。锁相环是模拟 和射频集成电路设计领域最有挑战的模块之一。本文设计的锁相环采用的是广为 流行的电荷泵锁相环，它包含了模拟电路电荷泵，射频电路压控振荡器 以及数字电路分频器。 本文基于s m i c1 p 6 m0 1 8 u m 的工艺设计了一款用于g p s 接收机的全集成电 荷泵锁相环。本文首先研究了电荷泵锁相环的行为级特性，用m a t l a b 建立了锁相 环的相位域和电压域模型，用v e r i l o g a 建立了锁相环的电压域模型。在电路图的 设计中，电荷泵使用了运算放大器作为误差放大器，运用负反馈结构，使得电荷 泵的输出电压在较大范围内变化时，充放电电流的匹配性能非常优越；其次，深 入地研究了压控振荡器的噪声模型以及降低相位噪声的技术，设计了款l ct a n k 结构的压控振荡器，其调谐范围是1 3 5 g h z - 1 5 g h z ，其增益为1 3 9 m h z v ，其在 6 0 0 k h z 频偏处的相位噪声为一1l8 d b c h z 。最后，设计了一款全集成锁相环，其分 频器工作在1 4 g h z ，分频系数为七十；此外，为今后设计更高频率锁相环作准备， 本文研究了工作频率在5 g h z 以上的分频器，进一步设计了一款工作在5 g h z 的五 分频电路。在设计锁相环的过程中，本文也研究和分析了锁相环的一些现象，如 c y c l es l i p p i n g ，以及压控振荡器输出信号的二次谐波到电压控制端的耦合等。本 文完成了电荷泵锁相环电路的版图设计以及后仿真。本文中的锁相环输出三个本 地振荡信号，频率分别为1 4 g h z 、1 4 0 m h z 和3 1 1 1 1 m h z ，参考源信号的频率为 2 0 m h z 。锁相环的单位增益带宽为2 8 0 k h z ，锁相环的锁定时间小于1 0 u s 。整个锁 相环的功耗为1 0 m w ，杂散为6 5 7 d b c ，距离中心频率1 m h z 处相位噪声小于 1 2 0 d b c h z 。版图的面积大约为6 0 0 u m x7 0 0 u m 。 关键词：锁相环；电荷泵；压控振荡器 分类号：t n 7 4 3 a bs t r a c t a b s t r a c t ：g p sr e c e i v e rf i n d sw i d e l ya p p l i c a t i o n si nm o d e r ns o c i e t y , a n dp l li st h e o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tb l o c k si ni t p l lp r o v i d e sa c c u r a t el o c a lo s c i l l a t i n gs i g n a l s f o rm i x e r p l li so n eo ft h em o s tc h a l l e n g i n gb l o c k si na n a l o ga n dr fd e s i g n t h ep l l d e s i g n e di nt h i sp a p e r u s e sac h a r g e - p u m pw h i c hi sp o p u l a ra tp r e s e n t ，i n c l u d i n ga n a l o g b l o c k - c h a r g ep u m p ，r fb l o c k - l ct a n kv c o a n dd i g i t a lb l o c k - f r e q u e n c yd i v i d e r t h ep a p e rp r e s e n t e daf u l l yi n t e g r a t e dc h a r g e - p u m pp l lf o rt h eg p sr e c e i v e r b a s e do ns m i c1p 6 m0 18 u mt e c h n o l o g y f i r s t t h eb e h a v i o rc h a r a c t e r i s t i c so ft h e c h a r g e - p u m pp l lw a ss t u d i e d ，t h em o d e l si np h a s ea n dv o l t a g ed o m a i n so ft h ep l l w e r eb u i l tb yu s i n gm a t l a b ，a n dt h em o d e li nv o l t a g ed o m a i no ft h ep l lw a sw e t u pb y u s i n gv e r i l o g - a i nt h ed e s i g np r o c e s so ft h ec h a r g e - p u m p ，a no p a m pw a su s e da sa n e r r o ra m p l i f i e r , a n ds i n c et h en e g a t i v ef e e d b a c kw a se m p l o y e d ，p e r f e c tc u r r e n tm a t c h w a sr e a c h e di nal a r g er a n g eo ft h eo u t p u tv o l t a g e t h ep h a s en o i s em o d e l so ft h el c t a n kv c oa n dt h ep h a s en o i s er e d u c t i o nt e c h n o l o g yw e r ea l s oi n v e s t i g a t e d ，al ct a n k v c ow a sd e s i g n e d ，i t so u t p u tf r e q u e n c yr a n g ei sf r o m1 3 5 g h zt o1 5 g h z ，g a i ni s 1 3 9 m h z v , a n dp h a s en o i s ea t6 0 0 k h zi s 一1 1 8 d b c h z f i n a l l y , af u l l yi n t e g r a t e dp l l w a sd e s i g n e d ，t h ef r a c t i o nn u m b e ro ff r e q u e n c yd i v i d e ri s7 0a t1 4 g h z ，a d d i t i o n a l l y , t h ef r e q u e n c yd i v i d e ro p e r a t e da th i g h e rt h a n5 g h zw a sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r , a n da n i n t e g e r - 5d i v i d e rw o r k i n ga t5 g h zw a sd e s i g n d u r i n gt h ed e s i g no ft h ep l l ，t h e p h e n o m e n as u c ha sc y c l es l i p p i n ga n dt h ec o u p l i n gb e t w e e n2 1 h a r m o n i co fo u t p u t s i g n a la n dc o n t r o lv o l t a g eo ft h ev c o w e r ed i s c u s s e d t h el a y o u ta n dp o s t - s i m u l a t i o n o ft h ep l lw e r ec o m p l e t e di nt h i sp a p e r , t h ep l lp r o v i d e st h r e el o c a lo s c i l l a t i o n s i g n a l s ，t h e i rf r e q u e n c i e s a r e 1 4 g h z ，14 0 m h za n d31 1llm h zr e s p e c t i v e l y , t h e r e f e r e n c ef r e q u e n c yi s2 0 m h z t h eu n i t yg a i nb a n d w i d t ho ft h ep l li s2 8 0 k h z ，a n dt h e l o c kt i m ei sl e s st h a n10 u s ，t h ep o w e ro ft h ep l li sio m w t h es p u r si s 一6 5 7 d b c ，t h e p h a s en o i s ea t1m h zo f f s e ti sl e s st h a n - 12 0 d b c h z ，t h ea r e ao ft h el a y o u ti s6 0 0 u m x 7 0 0 u m k e y w o r d s ：p l l ，c h a r g e - p u m p ，l c t a n kv c o c l a s s n 0 ：t n 7 4 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：啼年 商卑匆 i f b 月l 一日 导师虢卟牵鼠 、 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学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了谢意。 学位论文作者签名：弦角勇 签字嗍冲口年舌月，。日 7 1 致谢 本论文的工作是在我的导师刘章发教授的悉心指导下完成的，刘章发教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 刘章发老师对我的关心和指导。 在实验室工作及撰写论文期间，晏欣欣、邓鹏、崔艳娜、黄丞权、段文娟等 同学对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 1 锁相环概述 1 引言 1 9 3 2 年，法国的工程师d eb e l l e s c i z e 设计出了第一款锁相环uj ，他是相干 通信的发明者。直到出现集成电路以后，锁相环在工业领域才得到了广泛的应用。 1 9 6 5 年出现了第一块集成锁相环电路，它的电路模块全部是模拟电路。今天，这 种锁相环称为线性锁相环。1 9 7 0 年，出现了第一块数字模拟混合锁相环，其中的 鉴相器是数字电路。几年之后，全数字电路的锁相环出现。锁相环也可以用软件 实现。这种锁相环是用计算机程序实现的，完全不需要硬件，这种锁相环称为软 件锁相环。 锁相环几乎是所有的同步数字系统中一个重要的模块，这样的系统包括通信， 视频以及微处理器等。随着s o c 时代的来临，以及c m o s 电路的广泛应用，在c m o s 工艺上实现集成锁相环电路已经成为目前集成电路设计中普遍的需要。目前，在 模拟集成电路设计领域，有很多力量都在研究高性能的c m o s 集成锁相环，它是模 拟集成电路设计中相当传统又是相当前沿的领域。 锁相环在g p s 接收机中主要是为混频器提供精确的本地振荡信号，本文中的 锁相环应用的g p s 接收机，使用的是三级混频结构。这样本文中的锁相环需要提 供三个不同频率的输出信号作为本地振荡信号。另外，g p s 通信系统中通信的通道 是固定不变的，所以，锁相环的分频系数也不需要变化。 1 2 本论文完成的工作以及章节结构 在完成本论文的过程中，首先学习和研究了锁相环的行为级特性，学习了 m a t l a b 和v e r i l o g - a 的行为级建模技术，用m a t l a b 建立了锁相环的相位域和电压域 模型，用v e r i l o g a 建立了锁相环的电压域模型。其后进行了整个锁相环电路图的 设计，本文设计的是集成电荷泵锁相环。在这个过程中，深入地学习和研究了压 控振荡器的降噪技术，运用这些技术设计了一款l ct a n k 的压控振荡器；利用带 有运算放大器的负反馈结构，设计了一款电流匹配性能非常优越的电荷泵；研究 了目前分频器的结构，运用不同的结构设计了工作频率不同的分频器，选用了一 款适合本文锁相环的低功耗分频器，而且设计了一款工作在5 g h z 的五分频电路。 之后，又运用v i r t u s o 进行了整个锁相环电路的版图设计。 本论文的组织结构如下： 第章论述本文工作的意义以及主要完成的工作 第二章论述电荷泵锁相环的行为级特性。包括锁相环的噪声模型以及使用 m a t l a b 和v e r i l o g a 建立锁相环的行为级模型 第三章论述频率相位检测器的原理以及电路图的设计，包括高性能电荷泵的 设计 第四章论述本文中锁相环的分频策略以及分频器电路的设计 第五章论述压控振荡器的原理、相位噪声模型和降低噪声的技术，包括电路 图的设计 第六章论述锁相环电路的整体仿真以及电路的后端设计 第七章对本论文的工作进行总结和展望 2 2 锁相环的行为级性质与建模 2 1 锁相环的基本工作原理1 】【2 】 锁相环是一个负反馈系统，它的敏感信号是相位。图2 1 是一个简单的锁相环， 它包含了鉴相器，低通滤波器，以及压控振荡器。其中，鉴相器与负反馈系统中 误差放大器的作用一样，可以把信号x ( t ) 与y ( t ) 的相位差减小到最小。如果输入与 输出信号的频率相等时，二者之间的相位差也是固定的，就说锁相环达到了锁定 状态。 y ( t ) 卜 图2 1 简单锁相环的结构图 f i g u r e2 1a b a s i cm o d e lo f p h a s e l o c k e dl o o p 在锁定条件下，环路中的所有信号都达到了一个稳定状态，锁相环的工作过 程如下。鉴相器产生一个输出，其直流值与相位差成正比；低通滤波器抑制鉴相 器输出信号中的高频分量，以便用直流信号控制压控振荡器的频率。这时，压控 振荡器振荡的频率与输入信号的频率相等，且产生一个固定的相位差。由此，低 通滤波器生成了压控振荡器所需要的控制电压。 理解锁相环中不同节点的信号是有指导意义的。如果输入与输出信号的频率 相等，但是有一个有限的相位差，鉴相器生成一个脉冲，其宽度等于输入与输出 信号过定点的时间差。这个脉冲被低通滤波器滤波之后，产生的直流电压维持压 控振荡器振荡在需要的频率。 下面定性地分析一下锁相环输入信号经历一个小的频率阶跃的响应。假设锁 相环初始处于锁定状态，在初始后的某一个时刻，锁相环输入信号的频率产生了 一个小的阶跃。输入信号的频率立即大于输出信号的频率，所以x ( t ) 累积相位比 y ( t ) 快，鉴相器产生长度不断变宽的脉冲，这些产生的脉冲的直流电压也不断地变 大，由此提高了压控振荡器的输出频率。随着输入信号的频率与输出信号的频率 不断接近，相位比较脉冲的宽度逐渐减小，最后达到一个稳定值，略大于锁相环 之前锁定的宽度。 通过以上的分析，可以看到锁相环的跟踪能力。如果输入信号的频率变化的 速度比较慢，那么这样的变化就可以被看作是小的阶跃响应的累积。还应该注意 到，与其他的负反馈系统不同，锁相环中敏感信号在环路中是在变化的。鉴相器 把相位转化成电压或电流，经过滤波器的处理之后，又被压控振荡器器从电压转 化为相位。 2 2 电荷泵锁相环中的基本模块3 】 一个一般的锁相环结构包括晶振，鉴相器，环路滤波器，压控振荡器以及分 频器组成。其结构框图如图2 2 所示。 图2 2 一股锁相环的结构图 f i g u r e2 2 ag e n e r a ld i a g r a mo fp h a s e l o c k e dl o o p 其中的晶振产生一个精确的信号“l ，作为参考源信号，其频率与相位标记为： 缈1 ，科。分频器反馈到鉴相器的信号为“2 。压控振荡器的输出信号为“2 。 电荷泵锁相环与普通锁相环的区别在于鉴相器不同，它是对频率相位都敏感 的频率相位检测器，而且使用了电荷泵的结构把相位信号转化成电流信号。下面 更深入的讨论电荷泵锁相环电路的各模块。 1 频率相位检测器与无源低通滤波器 频率相位检测与无源低通滤波器的结构图如图2 3 所示。 4 v d d c l 图2 3 频率相位检测器以及低通滤波器的结构图 f i g u r e2 3p h a s e f r e q u e n c yd e t e c t o rw i t hl o wp a s sf i l t e r 其中c 1 ，c 2 与r 2 构成了一个两阶的无源低通滤波器。 频率相位检测器与其它的鉴相器不同，当锁相环处于非锁定状态时，它不仅 对输入与反馈信号的相位差敏感，而且对它们的频率差也敏感。 频率相位检测器可以工作在如下几种状态： u p - - 0 ，d n = 0 u p = i ，d n = 0 u p - - 0 ，d n = 1 u p = i ，d n = 1 但是最后一种状态由于触发器输出端的与非门被禁止。所以它只能工作在三 种状态下： u p - - 0 ，d n = 0 状态1 u p = i ，d n = 0 状态0 u p = 0 ，d n = l 状态l 该频率相位检测器的状态图如图2 4 所示。假设两个d 触发器均为上升沿有 效，参考源信号上升时使其进入下一个高的状态，如果已经处于状态l 则不发生 变化；相反，如果反馈信号上升时使其进入下一个低的状态，如果已经处于状态1 也不发生变化。当频率相位检测器处于状态l 时，u p 信号控制电荷泵中上边的管 子导通，从而对其后的低通滤波器充电；当频率相位检测器处于状态1 时，d n 信 号控制电荷泵中下边的管子导通，从而对其后的低通滤波器器进行放电；当频率 相位检测器处于状态0 时，它既不充电也不放电。 嵋j 一蟛， 图2 4 频率相位检测器的状态图 f i g u r e2 4s t a t ed i a g r a mf o rt h ep h a s e f r e q u e n c yd e t e c t o r 我们可以从图2 5 ，2 6 以及2 7 中进一步观察频率相位检测器在锁相环中是如 何工作的。图2 5 中，参考源的输入信号与反馈信号之间的相位差为零，这种情况 是非常理想的，假设频率相位检测器也是非常理想的，此时频率相位检测器处于 状态0 ，并且一直保持下去。 图2 6 中显示的是参考源信号超前于反馈信号的情况，图2 7 中显示的是参考 源信号落后于反馈信号的情况。从这两个图中我们可以看到，当相位差达到3 6 0 度时，在一个周期内，电荷泵都会维持对低通滤波器的充放电。从图中我们也可 以看到，频率相位检测器能够检测到的最大相位差是3 6 0 度。 馊堡兰n厂：厂 图2 5 参考源信号与反馈信号相位差为零时，频率相位检测器的状态 f i g u r e2 5w a v e f o r r n sa n ds t a t ef o rz e r op h a s ec r r o i 6 ， 参一 nn 一 煳二二 二二二二二二二二 二二二二二二二二丌二二二二二二一 图2 6 参考源信号超前于反馈信号时，频率相位检测器的状态 f i g u r e2 6w a v e f o r m sa n ds t a t ef o rp o s i t i v ep h a s ee r r o r 缈堡兰广厂广 状态。 二 二 二 - l 图2 7 参考源信号落后于反馈信号时，频率相位检测器的状态 f i g u r e2 7w a v e f o r m sa n ds t a t ef o rn e g a t i v ep h a s ee r r o r 当锁相环处于非锁定状态时，频率相位检测器对频率也敏感。如果参考源信 号的频率高于反馈信号的频率，频率相位检测器处于状态0 和1 ，如果参考源信号 的频率远远高于反馈信号的频率，则频率相位检测器大部分的时间处于状态1 ；相 反，如果参考源信号的频率低于反馈信号的频率，频率相位检测器处于状态0 和1 ， 如果参考源信号的频率远远低于反馈信号的频率，则频率相位检测器大部分的时 间处于状态1 。在参考源信号频率大于反馈信号频率的情况下，定义6 为频率相位 检测器处于状态1 的时间的比重；在参考源信号频率小于反馈信号频率的情况下， 定义6 为频率相位检测器处于状态1 的时间的比重的相反数。可以得到如图2 8 所示的曲线： 7 f 图2 86 随参考源频率与反馈信号频率之间关系的变化关系图 f i g u r e2 86v e r s u sf r e q u e n c yo fr e f e r e n c ea n df e e d b a c ks i g n a l s 另外，图2 3 中的低通滤波器采用无源的结构。我们设计的目标是降低锁相环 锁定时的相位差，这样有利于杂散得抑制。在理想情况下，无源低通滤波器已经 可以使电荷泵锁相环锁定时的相位差也为零，所以这里采用无源滤波器。而且， 有源滤波器中一般需要运算放大器，用c m o s 实现的运算放大器一般具有较高的 闪烁噪声，这种低频噪声经过压控振荡器的f m 调制，很容易被调制到中心频率 附近，而且不容易滤除。 2 压控振荡器 压控振荡器输出信号的频率与其控制电压有关，也就是与低通滤波器的输出 电压有关，一般理想的压控振荡器的输出信号的频率与控制电压的关系为： = + 足o u f ( t ) 如果是常数，则压控振荡器输出信号与控制电压的关系为线性的。实际情 况下，压控振荡器输出信号的输出频率与控制电压的关系都是非线性的，一般在 某一个范围内可以近似为线性。 3 分频器 分频器负责把压控振荡器的输出信号的频率，根据一定的比例降低频率后， 反馈到频率相位检测器的输入端。 2 3 电荷泵锁相环锁定状态的性质【4 】 5 1 电荷泵锁相环本质上是一个离散的系统。如果环路的本征频率小于参考源频 率的l o 倍以下，则锁相环可以近似为一个连续系统【6 1 ；而且设计时一般都要满足 这个原则，这样可以充分地保证锁相环的稳定。锁相环处于锁定状态附近时，锁 相环则可以近似为一个线性系统，由此锁相环系统就可以用常用的传递函数来描 述，此传递函数与普通的传递函数的区别在于，输入输出信号都是相位而不是电 流或电压。 为了得到锁相环的传递函数，首先需要得到电荷泵锁相环中各模块的线性模 型。 对于频率相位检测器而言，当相位差为2 万时，电荷泵在一个周期内的输出电 流都为p ，当相位差为包时，输出电流在一个周期内的平均值为乇= ，p 见2 万，所 以频率相位检测器输出电流的平均值与相位差的关系为： 乇= 4 0 2 , r = k d 包 ( 2 一1 ) 由此得， 巧= i p 2 7 t ( 2 - 2 ) 所以它的传递函数为： 嚣= 巧= 2 i 万v ( 2 - 3 ) 对于图2 3 中所示的二阶低通滤波器，其传递函数为： u ，( j ) 二一= 1 + s 足2 c 2 i o ( s ) s c l + s c 2 + s 2 c 1 c 2 r 2 【2 。4 ) 对于压控振荡器而言，其输出信号的角频率由下式得出： 缈o = 缈o + k o u ，( f )( 2 5 ) 而相位是对角频率的时域积分， 岛( f ) = k of u ，( f ) 出 ( 2 - 6 ) 由此，得到压控振荡器的传递函数为： 黑：鱼( 2 - 7 ) u r ( s ) 了 对于分频器，它把压控振荡器输出信号的频率降低了n 倍，则它的传递函数为： 器= 万1 ( 2 - 8 ) 0 2 ( s ) 通过以上的分析，我们可以得到该锁相环的开环传递函数 蛔：器；兰整 ( c 1 + c 2 ) r 2 c 1 c 2 如果设r 1 ：二r 2 _ c 了i c i 2 ，t 2 ：r 2 c 2 ，则开环传递函数可以表示为： c 1 + c 2 一一一 日( s ) 咖= 丽k o l p7 1 而1 + s t 2 f 9 ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) 所以， h ( j 国o p e n l o o p - - - 2 k 万c o i p1 缈1 21 1 + + j ，c 缈o t n 2 丁t 2 1 ( 2 11 ) 通过该开环传递函数，我们就可以分析锁相环的稳定性。从上式可以得到，除了 两个零极点以为，还有一个非零极点以及一个零点： q = 旦丝( 2 - 1 2 ) r 2 c 1 c 2 q 2 哆2 矗l _ ( 2 - 1 3 ) 该传递函数的波特图2 9 如下： 图2 9 锁相环开环传递函数的波特图 f i g u r e2 9t h eb o d ec h a r to ft h eo p e nl o o pt r a n s f e rf u n c t i o n 传递函数的相位裕度为， 巾朋= a r c t a n ( c a t 2 ) 一a r c t a n ( r ot 1 ) ( 2 14 ) 为了让增益为1 的时候，相位裕度为最大值，给定吼以及相位裕度。，可以得到 以下的表达式，计算滤波器的参数： t 1 ：竖笠垫 ( 2 1 5 ) q 1 死2 南( 2 - 1 6 ) c 1 ：一t 1 绛 r 2 n c 2 = c 1 ( - 署一1 ) 尺2 ：丝 c 2 l o ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 耶k = 磊意k 。i p i ( 1 + 豪sj 仁2 。， 耶) 撕= l 拦番- _ ( 2 - 2 0 ) ( c 1 + c 2 ) r 2 c 1 c 2 2 州、 1 r 2 c 2 7 2 4 锁相环的工作频率范围7 】 锁相环处于非锁定状态时，只有满足一定的条件，才能重新回到锁定状态。 h o l d i nr a n g e ：它是锁相环工作的静态稳定频率范围。它表示锁相环的工作频 率缓慢地偏离锁定状态时，锁相环仍能维持锁定的最大频率。当锁相环的工作频 率超过此频率时，锁相环就无法处于锁定状态。对于电荷泵锁相环，它的h o l d i n 范围由压控振荡器的调谐范围决定。 p u l l i nr a n g e ：它指的是锁相环初始未处于锁定状态，参考源信号的频率逐渐 接近压控振荡器的自由振荡频率，锁相环能够达到锁定的最大参考源频率。对于 电荷泵锁相环，它的p u l l i n 范围也由压控振荡器的输出频率范围决定，这是电荷 泵锁相环广泛应用的原因之一。 p u l l o u tr a n g e ：它是锁相环的动态稳定频率范围。它表示锁相环参考源信号的 频率发生一个阶跃变化时，锁相环仍然维持锁定状态的最大频率范围。如果参考 源频率的变化大于这个范围，那么锁相环将无法跟踪参考源信号的变化，锁相环 将处于非锁定状态。 l o c kr a n g e ：这个范围包含在p u l l i n 范围内。它表示锁相环参考源信号的频率 与压控振荡器经过分频之后频率的一个差值范围，在这个范围内，输入参考源信 号与反馈信号经过一个周期，锁相环即可以达到锁定。在无线通信需要进行通道 选择的时候，这个范围很重要，它关系着通道切换速度的快慢。 锁相环工作频率范围的关系如图2 1 0 所示。 静态稳定范用 动态稳定范围 h o l d i nr a n g e p u l l i nr a n g e p u i i - o t i tr a n g e l o c kr a n g e 一 l 囊：转，j缀缪4 等霉辅够缈翟燃漆淤黼滞端擀 弼鼍 ；：毒x 轧 赣馈；。易。z 纛爱 l 惑心蕊溢滴耪搋貉。斌r 4 n 。毋lj ：j 瓤：；j i； ：鑫 v 缈 v 有条中 ；h 士1：绍审 图2 1 0 二阶线性锁相环的工作频率范围示意图 f i g u r e2 10t h er a n g eo fo p e r a t i o nf r e q u e n c yo fal i n e a rs e c o n d - o r d e rp l l 2 5 锁相环相位噪声的分析8 】 电荷泵锁相环是一个复杂的时变非线性系统。用时变非线性理论分析锁相环 噪声非常地复杂，e d a 工具对锁相环进行噪声分析也有很大的局限性。目前一般 都用锁相环的线性模型进行估算。锁相环中的每一个模块都会对总的输出噪声有 贡献。锁相环中的噪声源如下图2 1 l 所示： 图2 1 l 锁相环的噪声模型 f i g u r e2 11t h en o i s em o d e lo fp l l 其中，各符号的含义如下： 屹：频率相位检测器的噪声电压均方根 0 ：低通滤波器的噪声电压均方根 叱：压控振荡器的噪声电压均方根 1 2 心，：分频器的噪声电压均方根 假设以上各个噪声源都是不相关的，锁相环总的输出噪声由下式决定： 屹衄，= 屹，硎+ 畦删+ 屹俐+ 晚，刎其中右边各项为由各个噪声源在输出端产 生的噪声功率。 以及的传递函数与锁相环的传递函数相同， 等：等：j 兰窘1 r 2 c 2 2k o i 忑倍 n r 呼刚 n d i v 删 2 删v 。 f 、r 、 一= 一= iz z - n 呵n 呵s_tt pnl s 、 、 对于的传递函数，可以把它转化为等效输入噪声，伽= 翰，这样 对于的传递函数，我们用，表示低通滤波器的噪声电压，这样可以得 丝堕： n 唾 k o s ( 1 + 面琵蒜) 丽赢丽“+ 坠- ( 1 + 1 2 x n 壶) 一+ j + 一 - i + 一l ( c 1 + c 2 ) r 2 c l c 2 、 l 尺2 c 2 7 ( 2 2 2 ) 该传递函数有一个位于原点的零点和一个非零零点，以及三个非零极点，该 传递函数具有带通特性。 对于的传递函数，可以得到： n v 删 一= n v 。 九1 + 面琵蒜) 、 ( c l + c 2 ) 尺2 c 1 c 2 7 面高丽膏+ 坠( 1 + 1 2 x n 一1 r t 2 c 一2 ) _ + j 。+ 1 i + 一l ( a + c 2 ) 俾2 c 1 c 2 、7 ( 2 - 2 3 ) 该传递函数有两个位于原点的零点和一个非零零点，以及三个非零极点，它 具有高通特性。 从以上的分析中，我们也可以看到，为了降低压控振荡器的噪声对输出噪声 的贡献，需要增大锁相环的带宽，而为了降低参考源噪声对输出噪声的贡献，需 要减小锁相环的带宽，所以两者是矛盾的。同时，锁相环的带宽与锁相环的锁定 时间密切相关，所以这三者之间存在着折中。 2 6 锁相环行为级模型的建立【9 】【1 0 】 建立锁相环的行为级模型，可以更好地研究锁相环的行为级特性，更重要地 是可以划分锁相环各个模块的指标，确定重要的参数，同时还可以与电路进行混 合仿真，加快仿真的速度 当前m a t l a b 与v e r i l o g a 以及h s p i c e 都可以用来对锁相环进行行为级的建模， 他们各有自己的特点。用m a t l a b 建立锁相环的相位域模型比较方便，但是它不能 进行电路级的仿真，而v e r i l o g a 可以进行行为级与电路级的混合仿真，这样可以 加快锁相环的仿真速度，同时可以方便地对其中的电路模块进行验证。h s p i c e 由 于自身的特点，在射频电路的仿真方面不够充分。 2 6 1锁相环的m a t l a b 相位域模型 锁相环的m a t l a b 相位域模型，也就是用m a t l a b 建立的锁相环的传递函数，可 以建立锁相环的开环传递函数以及闭环传递函数，这种传递函数与一般的传递函 数不同，它的输入输出信号都是相位。 本文中所设计的锁相环的各个模块的参数选择如下：参考源频率为2 0 m h z ，电 荷泵电流为1 0 0 u a ，压控振荡器的增益为1 3 9 m h z v , 分频器的系数为7 0 。为了让 锁相环的单位增益带宽为2 8 0 k h z ，同时相位裕度为6 0 度，我们可以根据2 3 中所 推导的公式，得到低通滤波器的参数为：c i = 1 5 p f ，c 2 = 1 9 3 5 p f ，r 2 = 1 0 2 k 。滤 波器中电容值c 2 的比较大，主要是为了降低压控振荡器二次谐波到电压控制端的 耦合。 在行为级确立这些参数之后，根据电路图要进行适当地修改，保证电路能够 实现。以上参数的选取是经过电路图设计后，确保电路能够实现的参数。同时， 在行为级选取参数的时候，还要遵循一些原则。参考源频率的选取，应根据晶振 和分频是否方便，以及锁相环的带宽进行选择。电荷泵的充放电电流需要在功耗， 噪声，以及环路增益之间进行权衡。充放电电流越大，相位噪声性能越好，但是 增大了功耗，以及环路的带宽，也就降低了环路的稳定性。压控振荡器的增益主 要影响环路的增益，同时应保证增益的线性度可以接受。如前噪声分析时所述， 带宽的选取，关系到相位噪声和锁定速度的性能，应根据锁相环性能的要求，进 行适当地权衡。 通过m a t l a b 建立锁相环的开环传递函数，进而进行验证，得到如图2 1 2 所示 的波特图，从图中可以看到该传递函数的带宽为2 8 0 k h z ，同时相位裕度为6 0 度。 1 4 图2 1 2 用m a t l a b 得到的锁相环开环传递函数的波特图 f i g u r e2 12 t h e b o d ec h a r to ft h eo p e nl o o pt r a n s f e rf u n c t i o ns i m u l a t e dw i t hm a t l a b 利用以上得到的锁相环的参数，建立图2 1 3 所示的是锁相环的相位域模型， 也就是建立锁相环的闭环传递函数。各个模块的模型就是其相位域的传递函数。 它的电压控制端电压的瞬态响应的波形如图2 1 4 所示。图2 1 4 中上图表示输入信 号的相位发生阶跃变化的曲线，下图表示反馈信号相位的变化曲线，可以看出它 的瞬态响应与6 0 度的相位裕度是一致的。 佃p 瞻d 妇t o ra n dc h i r 驴n p 6 hh 誓| s 衙f i l r c t i o “ 廿伸m d o f 岫v c o s c o p e l 图2 1 3 锁相环的相位域模型 f i g i 】2 13t h ep h a s e - d o m a i nm o d e lo fp l l 图2 1 4 电压控制端电压的瞬态响应的波形 f i g u r e2 1 4w a v e f o r mo f v o l t a g et r a n s i e n tr e s p o n s eo f t h ev o l t a g ec o n t r o l l e dp o r t 2 6 2 锁相环的m a t l a b 电压域模型 锁相环的m a t l a b 电压域模型如下图2 1 5 所示，这种模型中的敏感信号已经完 全是电压，它可以更加具体地描述锁相环的行为级特性，从这种模型中不仅可以 得到锁相环线性过程的时间响应，也可以得到锁相环非线性过程的时间响应，它 更加接近于真实锁相环的工作过程。这个模型中的各个模块都是用s i m u l i n k 中的 库单元搭建的。 1 6 图2 1 6 锁相环s i m u l i n k 行为级模型中控制电压的瞬态波形 f i g u r e2 16t r a n s i e n tr e s p o n s eo ft h ev o l t a g e - c o n t r o l l e dp o r to fs i m u l i n kb e h a v i o rm o d e lo fp l l 2 6 3 锁相环的v e r i l o g - a 电压域模型 v e d l o g - a 与v e r i l o g 的关系如图2 1 7 所示，v e r i l o g - d 就是俗称的v c r i l o g ，它 与v e r i l o g - a 一起用来描述整个的模拟和数字电路系统。锁相环的v c r i l o g - a 模型 的各个模块的功能是用语言v e r i l o g - a 进行描述的，在s p e c t r e 下，我们可以把用 1 7 v e r i l o g a 描述的模块生成s y m b o l ，进行原理图的编辑。同时，也可以与晶体管电 路生成的s y m b o l 进行混合仿真。这样就可以方便地进行各个电子路模块的验证， 本文中压控振荡器输出信号中的二次谐波到电压控制端的耦合现象，就是通过 v e r i l o g a 的验证发现的。v e r i l o g a 另外一个重要的作用就是加快锁相环的仿真速 度。 图2 1 7v e r i l o g 与v e r i l o g a 的关系图 f i g u r e 2 1 7r e l a t i o n s h i pb e t w e e nv e r i l o ga n dv e r i l o g - a 锁相环的一个行为级模型如图2 1 8 所示，其中的电阻与电容是用理想元件实 现的，其它的模块则是用v e r i l o g a 语言实现的。 图2 1 8 锁相环v c d l o g - a 模型的结构图 f i g u r e2 18t h es t r u c t u r eo fp l lb u i l tb yv e f i l o g a 频率相位检测器的v e r i l o g a 描述如下图所示： 丫牡譬i 1 矗盼 夸茸f 壮# i 置口g 氇， p 三虹。p ， v e r i l o g _ 毒 、i n c l u d e , c o n s t a u 争sv a m s ” i 施l u d e “a 王5 。i p 土弱尊饕。智曲a o ” m o d u l ep f ( 匕e p | ( 。u 艺；f 8 j 矗? 。j o u t p u to u t ； i n p u tr e f j 7 i n p u tv o o 节 p a r 搬e t e rr p a r 锄e t e rr p 氇r 瑚h c 乞c rr p a r 执e t e rr l e c t r l c a lo u t ； 1 t a 哿er e ； 王铀啪v 口， a li 蝴t - - l o o u ； a l v h ；+ l j a 】| y 王一一圭， a l 趣* 啦l + v ”2 j 攀赫鬻攀鬻燃辫蒸蘸蘩鬻l 矗口如i o 图2 1 9 频率相位检测器的v e r i l o g - a 描述 f i g u r e2 19av e r i l o g am o d e lo fp f d 压控振荡器的v e r i l o g - a 描述如下图所示： | v e r i l o ! 蕾f o rv e r i l o g a v c o v e r i l o g a 、i n c l u d e ”c o n s t a n t s v a | t 3 ” 、i n c l u d e 。d i s c i p l i n e s v 枞3 “ m o d u l ev c 0 ( o u t , i n ) ； i n p u ti n ；v o l t a g ei r t o u t p u t0 h t 弘v o l t a g eo u t ； p a x 醐e t i e r r e a lv f = 1 + 6 s j p a r 酿e = ：e rr e a lk o = 1 5 0 1 ； 蚤a r a m e t e rr e a lf c = 1 4 0 0 mf r o m ( o ：i n f ) ；一“ p b 一e m e t e rr e a lv 弘8 j -j p a r 自n e 七e rr e a lv h = 2 5 j 一 p a r b m e t e 曩r e a lt t = o o l f cf r o m ( o ：i n f ) i p a r 础h e t e = 。r e a l t t o l = l u f cf r o m ( 0 - l l f c ) ； r e a lf r e 玺p h a s e ； i n t e g e tn j