（微电子学与固体电子学专业论文）△∑小数频率合成器关键模块的设计.pdf

中文摘要 本文重点研究了a e 小数频率合成器中关键模块( 鉴频鉴相器和电荷泵) 的 设计。p f d 中将延时与复位单元分开，既消除了死区，又减小了反向增益发生的 范围。电荷泵采用差分结构及虚拟支路，减小了常见的电荷注入以及电荷分享， 改善了频率合成器的输出频谱；电流源采用c a s c o d e 结构，减小电压余度的消耗 并增强匹配；在电荷泵的差分结构中使用一个单位增益放大器，保持虚拟支路和 充放电支路的电位相同，消除电荷分享。基于c h a r t e r e d0 3 5 u mr f 工艺，完成 了电路仿真、版图设计与流片。 为了迸一步提升小数频率合成器性能，本文还基于t s m c0 2 5 u mr f 工艺， 设计了一阶及高阶补偿的高性能( 近似的零温度系数) 电流基准源，为电荷泵提 供2 0 u a 的稳定的偏置电流。该基准源由b a n d g a p 核心电路、折叠c a s c o d e 运放 及启动电路等模块组成。高阶补偿电路的仿真结果表明它具有很小的温度漂移和 很高的电源抑制比：在2 0 到1 5 0 温度范围内，输出电流的温度系数约为 5 p p m c ；在1 0 k h z 以内，p s r r 为9 3 d b ，并且在1 0 k h z 2 m h z 范围内，p s r r 仍大于6 0 d b 。 关键词：小数型频率合成器鉴频鉴相器电荷泵电流基准源零温度系数 a bs t r a c t t h i sp a p e ri sf o c u s e do nt h ed e s i g no fi m p o r t a n tb l o c k s ( p f da n dc h a r g ep u m p ) o f f r a c t i o n a l nf r e q u e n c ys y n t h e s i z e r t h es t r u c t u r eo f p f d ，w h o s ed e l a yp a r t w a ss e p a r a t e df r o mt h er e s e tp a r t ，r e m o v e dt h ed e a d - z o n ea n dd e c r e a s e dt h eg a i n i n v e r s i o n r e g i o ns i m u l t a n e o u s l y c h a r g e p u m p c i r c u i tw a sp r o p o s e d w i t ha d i f f e r e n t i a li n p u ts t r u c t u r ea n dad u m m yc u r r e n tb r a n c h ，w h i c hs o l v e dt h ea f f e c t i o n s o ft h ec h a r g ei n j e c t i o na n dt h eg a i nm i s m a t c h e s t h e nt h eo u t p u ts p u rw a sr e d u c e d c a s c o d es t r u c t u r ef o rt h ec u r r e n tr e f e r e n c e sr e d u c e dt h ev o l t a g ec o n s u m p u o na n d e n h a n c e dc i r c u i tm a t c h i n g au n i t - g a i na m p l i f i e rw a su s e dt oe q u a t et h ev o l t a g e o ft h e d u m m vb r a n c ha n dt h eo u t p u tb r a n c hi no r d e r t oe l i m i n a t ec h a r g es h a r i n g t h ed e s i g n w a sc o m p l e t e di n c l u d ec i r c u i ts i m u l a t i o n s ，l a y o u t ，a n db e i n gt a p e d o u tb a 8 eo n c h a r t e r e d0 3 5 u mr fc m o sp r o c e s s a i m i n gt oe n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo f t h ef r a c t i o n a l - ns y n t h e s i z e r , c h a r g ep u m p n e e d sa2 0 us t a b l ec u r r e n tr e f e r e n c e t h i sp a p e rd e s i g n e db o t haf i r s t 。o r d e ra n da h i g h o r d e rc o m p e n s a t e dc u r r e n tr e f e r e n c ew i t h n e a rz e r ot e m p e r a t u r e 。c o e f f i c i e n t ， w h i c hw e r ed e s i g n e db a s e do nt s m c0 2 5 u mp r o c e s s t h e c u r r e n tr e f e r e n c e c o m p o s e db yab a n d g a pc o r ec i r c u i t ，o p e r a t i o n a la m p l i f i e r s ( o t a ) ，a n ds t a r t u p c i r c u i t r e s u l t so fh i g h o r d e rc o m p e n s a t i o ns h o w e dt h a ti th a dal i m i t e dt e m p e r a t u r ed r i f ta n d h i g hp o w e rs u p p l yr e j e c t i o n r a t i o n ( p s r r ) ：t e m p e r a t u r e 。c o e f f i c i e n t w a sa b o u t 5 p p m co v e ral a r g et e m p e r a t u r er a n g ef r o m - 2 0 ct o 15 0 ( 2 ；t h ep s r rw a s9 3 d b f o rf r e q u e n c i e sb e l o w10 k h za n dm o r et h a n6 0 d bb e f o r e2 m h z k e yw o r d s ：aef r a c t i o n a l nf r e q u e n c ys y n t h e s i z e r , p f d ，c h a r g ep u m p ， c u r r e n tr e f e r e n c e s ，z e r ot e m p e r a t u r e c o e f f i c i e n t 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，也不包含为获得叁鲞苤鲎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：闫鸩冷 签字日期：伽g 年6 月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁壅苤茎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：f 刁砍、兮 签字日期：训6 年6 月【日 l 导师签名： 幺相 签字日期：枷艿年月j 日 天津大学硕士学位论文 第一章综述 第一章综述 频率合成技术是将一个或多个高稳定、高精度的标准频率经过一定变换，产 生同样高稳定度和精确度的大量离散频率的技术。 频率合成器是电子系统的心脏，是决定电子系统性能的关键设备，在通信、 数字电视、卫星定位，航空航天，雷达和电子对抗等多个领域都占据重要角色。 在无线收发系统中，频率合成器的作用是在频率转换的过程中提供本振信号。例 如，它手机芯片射频部分的接收回路中实现r f 信号的下变频，在发射回路中实 现基带信号的上变频。频率合成理论自2 0 世纪3 0 年代提出以来，已经取得了迅 速的发展。 进入2 1 世纪，随着半导体工艺的不断进步和射频集成电路设计水平的大幅 提高，全球无线通信市场呈爆炸式增长，使得射频集成电路( r f i c ) 在保证高性 能的前提下，朝着低功耗、高集成度、低成本等方向发展。由于缺乏高性能的片 上器件，因而频率合成器要完全由c m o s 工艺来实现射频前端集成电路仍存在 诸多挑战。 目前，国际无线通讯芯片巨头，如t i 、q u a i c o m m 、a d i 等，以及著名大学 s t a n f o r d 、u cb e r k e l e y 、u c l a 等，都在这一领域进行了深入的研究和开发，并 取得了空前的成果。而国内的无线通讯制造商虽然在市场上占有一席之地，却由 于没有掌握手机射频集成电路等核心技术，因而导致在与国外制造商的竞争中处 于劣势。因此，开发基于深亚微米工艺的r fc m o s 低功耗、高集成度、低成本 的射频集成电路，具有重要的科学意义和实用价值。 1 1 小数型锁相环频率合成器 1 1 1 频率合成器的类型 自2 0 世纪3 0 年代开创频率合成理论的七十多年来，频率合成技术无论从性 能指标、可靠性及复杂程度等各方面都有了较大的发展和质的改善。最常用的三 种频率合成器为：直接模拟频率合成器( d s ) 、直接数字频率合成器( d d s ) 、 锁相频率合成器( p l l ) 。 直接模拟频率合成器( d s ) 的缺点是由于要产生大量必需的本地信号，此 类合成器要求相当大的基准信号功率。同时由于采用了大量倍频、分频、混频和 天津大学硕士学位论文 第一章综述 选频滤波装置，使合成器体积大、重量大、电路复杂、成本高，而且寄生频率、 输出纹波、噪声等均难以抑制。按当今对设备的要求，这种方法是不实用的。 直接数字频率合成器( d d s ) 的主要缺点是其受限于器件可用的最高时钟频 率，输出频率上限不能太高。并且，由数字技术带来的相位量化噪声和d a 转 换器带来的幅度量化噪声所形成的总输出噪声电平可能很高。这长期以来阻碍了 d d s 的发展和实际使用。 无线收发系统中应用最广泛的是基于锁相环的频率合成器( p l l ) 。典型的 基于锁相环的频率合成器包括鉴频鉴相器，电荷泵，环路滤波器，压控振荡器和 分频器等。 在整数n 频率合成器中，由于频率精度等于输入参考频率，很难同时实现 频率精度、相位噪声、杂散和频率切换速度的优化。因为频率精度越高( 即值越 小) ，就要求参考频率越小。根据经验准则，为了保证环路的稳定性，环路滤波 器的带宽必须至少比参考频率小l o 2 0 倍。于是，小的频率精度就意味着窄的环 路带宽：但另一方面，环路带宽越窄，频率切换速度越慢，于是便增加了环路的 建立时间。同时，当参考频率很小时，分频倍数n 就会大，使得输入参考噪声、 电荷泵噪声等具有低通传输特性的噪声源的影响在输出端扩大为初值的n 2 倍。 而小数频率合成器很好地解决了上述问题，它具有任意小的频率精度、相对宽的 带宽以及很短的建立时间。 小数频率合成器将v c o 的输出频率经过k 次n 分频和m 次n + 1 分频，这 样就得到了n ，= n + 的分频倍数。这样相对于整数型频率合成器，在要求 。 m + 庀 相同频率精度的情况下，就可以减小分频倍数，并采用较大的参考频率，以克服 上述缺点。 但是由于小数频率合成器存在低频噪声，需引入调制器进行噪声整形， 将低频噪声移至高频。噪声经过反馈，被滤波器滤除。 1 1 2 频率合成器的主要性能指标 建立时f f i ( s e t t l i n gt i m e ) 建立时间就是指当系统从一个频率跳变为另一个频率，达到一定精度以内时 所必需的时间，包括从一个频道到另一个频道的转换时间，也包括从系统上电到 达到某一频率的时间。系统的建立时间可以用4 f c 进行估计1 2 j ，其中f c 正比于环 路带宽( = 2 万够) 。环路带宽越大，建立时间越短。为了减小信道之间转换的 时间，大部分的无线通信系统对频率合成器锁定时间都提出了很苛刻的要求。然 而，环路带宽却不能随意的增大。出于稳定性的考虑，对于整数型锁相环频率合 天津大学硕士学位论文 第一章综述 成器，环路带宽一般被限制在参考频率的1 1 0 大小。 频率精度( f r e q u e n c ya c c u r a c y ) 频率精度指的是对于所要生成的信号频率，中心频率可以接受的最大误差。 当频率合成器进行频率切换时，也常常用频率精度作为判断频率是否锁定的标 准。当频率误差小于频率精度时，可认为环路已经锁定。 频率调谐范 ( f r e q u e n c yt u n i n gr a n g e ) 频率范围指的是压控振荡器可以被控制电压调谐到的最大频率和最小频率 之差。目前应用最广泛的压控振荡器有两种：环形振荡器和l c 振荡器。对于环 形振荡器来讲，最大频率通常是一个具有挑战性的指标，因为振荡频率受到每级 反相器延迟时间的限制。而对于l c 振荡器来说，较宽的调谐范围也很难做到， 尤其是在低电压应用中。由于工作环境的变化会使压控振荡器的输出频率发生变 化，为了在环境条件( 如温度) 变化的情况下仍能满足系统调谐范围的要求，压 控振荡器的输出频率范围必须大于系统的调谐范围，这进一步加大了设计难度。 相位噪声( p h a s en o i s e ) p l l 频率合成器在射频收发机中充当本地振荡器，完成上下变频的功能。在 r f 系统中，频率合成器的设计仍旧是一项具有挑战性的工作，因为它必须满足 非常苛刻的要求。r f 收发机中振荡器的频率必须定义的非常精确，在大多数情 况下，还要求它以某一小而精确的步长变化。除此之外，频率合成器产生的载频 信号的纯度也是影响收发机性能的关键因素。对于一个理想的振荡器，其输出频 谱如图1 1 ( a ) ；但是实际情况是：在载频附近不仅存在边带，而且频谱也会展宽， 即所谓的相位噪声，如图1 1 ( b ) 。 ji 一 一 f o】 jl 一 一 f o】 ( a )( b ) 图1 1 理想的( a ) 和实际的( b ) 振荡器的频谱 天津大学硕士学位论文第一章综述 1 2a e 小数频率合成器的构成 应用于本项目的小数型锁相环频率合成器的结构如图1 2 所示。其主要 模块包括鉴频鉴相器( p h a s e - f r e q u e n c yd e t e c t o r p f d ) 、电荷泵( c h a 唱e p u m p c p ) 、环路滤波器( l o o pf i l t e r l f ) 、压控振荡器( v o l t a g ec o n t r o l l e do s c i l l a t o r n c o ) 、分频器预分频器( d i v i d e r p r e s c a l e r ) 、调制器( s i g m a - d e l t a m o d u l a t o r d s m ) 等。 图1 2小数型锁相环频率合成器 锁相环是一种反馈回路，依靠反馈输入信号与输入参考信号进行比较，产生 误差信号从而控制振荡器的频率的改变，最终达到相位锁定。其中，各部分工作 的原理可概括如下：首先，分频器对v c o 输出的高频信号进行可控的分频，分 频模数为n ，由于参考频率为名f ，则输出频率在名州名f 之间变化。鉴频鉴相器 将分频器的输出反馈信号f v 。与输入参考信号k f 进行相位比较，产生相应的误 差电压。电荷泵将误差电压信号转换成电流信号，对下一级进行充放电。环路滤 波器滤除误差信号中的高频噪声分量，输出稳定的电压信号，控制v c o 的可变 电容。v c o 通过对控制信号的反应，改变输出频率，这样，分频器的反馈信号 不断接近输入参考信号。由于反馈不断进行，最终相位误差接近为零( 在频率精 度以内) ，参考时钟与反馈时钟完全一致，此时环路锁定。 1 2 1 鉴频鉴相器( p f d ) 鉴频鉴相器( p f d ) 是锁相环中的重要部分。它负责检测输入参考信号与 v c o 分频后的反馈信号之间的频率差及相位差，并产生相应的误差电压信号启 动电荷泵。 天津大学硕士学位论文第一章综述 在锁相环的应用过程中，共出现了四种类型的鉴相器【3 】：从模拟乘法器，到 异或门( e x o rg a t e ) 及j k 触发器，直至鉴频鉴相器。 鉴频鉴相器的优势在于，能够同时对相位和频率进行检测。典型的鉴频鉴相 器如图1 3 所示【4 1 ，该电路主要由两个d 触发器和一个与非门组成，d 触发端分 别接电源，时钟信号为两输入，与非门的输出控制触发器的复位，输出分别为两 d 触发器的输出。两个输入信号分别为锁相环的输入参考信号k f 和输出反馈信 号。o ，输出信号分别为u p 和d n 信号。 鉴频鉴相器应用于锁相环并工作于鉴频状态时，其工作原理简要如下： ( 1 ) 厶 f v c o ：当f r o f 出现高电平时，输出信号u p 生成高电平，理想情况 下其持续时间视两信号所差相位而定，即当f v 同时出现高电平时，两d 触发器 复位，u p 恢复低电平。而u p 信号的高电平阶段，开启电荷泵电源通路，使其 对滤波器进行充电，从而导致滤波器对v c o 的控制电压升高，进而控制v c o 频率升高。分频后的反馈信号f v 。o 频率增加，两输入信号相位误差减小，形成反 馈过程，直至相位误差接近为零。 ( 2 ) 厶 。ob r 呼 厶时，u p 产生宽度不断增大的脉冲；当厶 允：得到u p 信号的上升沿并产生脉冲，理想情况下，d n 信号 始终为零。这样，仅开关s w l 闭合，即电荷泵的上支路导通，通过电流源对滤 波器的电容充电。充电过程使得滤波器的输出控制电压升高，从而增大v c o 的 输出频率。当u p 信号的上升沿结束时，s w i 打开，即电荷泵中无电流导通，滤 波器电压保持不变，充电过程结束。 ( 2 ) 厶 f v c o ：d n 信号得到正向脉冲，u p 信号保持低电平( 依然是理想 情况下的分析) 。开关s w 2 闭合，s w l 断开，电流源使电荷泵的下支路导通， 滤波器的电容对电荷泵放电。与( 1 ) 中的过程相反，滤波器由于不断的放电， 其电压即v c o 的控制电压逐渐降低，使得v c o 输出频率降低以适应电压的变 天津大学硕士学位论文第一章综述 化。当d n 信号的上升沿结束时，s w 2 打开，即电荷泵中无电流导通，滤波器 电压保持不变，放电过程结束。 ( 3 ) 厶= f v 。o ：这种工作状态在理想情况下的结果是，u p 和d n 信号均为 低电平，电荷泵中无电流导通，电荷泵不工作。 理想情况下，电荷泵工作于不同状态下，滤波器的充放电，对v c o 的控制 电压v 。n t l 变化曲线可以由图1 8 中看出，充电时电压呈阶梯上升，放电相反。 与p f d 略有不同的是，在p f d 进行鉴相工作时，电荷泵的工作原理与在p f d 鉴频时是基本相同的。当参考信号的相位超前于反馈信号时，电荷泵工作于状态 ( 1 ) ；当参考信号滞后于反馈信号时，电荷泵工作于状态( 2 ) ；两信号相位误差 接近于零时，电荷泵不工作( 状态( 3 ) ) 。 i a 电荷泵对滤波器充电；b 电荷泵对滤波器放电；c 电荷泵不工作； 图1 8 电荷泵在不同工作状态时，滤波器输出的控制电压v 咖l 随时间变化的曲线 1 2 3 环路滤波器( l o o pf i l t e r ) ) u t 7 j 之r 1 声 l 7 乏c 2 l c ， t 一 图1 - 9 二阶无源环路滤波器 环路滤波器( l f ) 的作用通常是滤除掉环路中的高频噪声成分，并通过充 放电产生稳定的电压来控制v c o 的输出频率。 天津大学硕士学位论文第一章综述 要实现较好的直流增益和跟踪特性，滤波器有两种实现方式：无源滤波器和 有源滤波器。无源滤波器与有源滤波器各具优缺点：无源滤波器由于电容过大而 不易于集成，但有源滤波器的功耗及造成较大。因此具体结构的选取要根据设计 所需的性能参数进行折衷考虑。 无源滤波器主要由电阻和电容组成，图1 9 为二阶无源滤波器的电路原理图。 滤波器产生两个零极点。设电荷泵电流为，。，压控振荡器增益为k 脚，分频器 的分频比为n ，此时系统的开环传输函数为： 耶，= 百i c p k v c o 而 其中纹= 丽1 ，= 币c 1 - - 百c 2 去。 由于开环传输函数中零极点的个数决定了系统的阶数，因而由式( 1 。1 ) 可 知，此时锁相环为三阶系统。取右端幅值为l ，得到三阶锁相环的环路带宽为： k 州k 。r l c lc o s ( 办2 ) 国= 二一l 一二一 n c 14 - c 2s i n ( o ：) 其中，红协唼碱2 = a r c t a n ( c o 。) 彩 国， 那么，便可得到相位裕度： 九= 丸吨一a ( 一( 砻 ( 1 2 ) ( 1 3 ) 当带宽与极点的关系为皱= 厩时，s i n ( 苁)c o s ( p ：) ，此时相位裕度 最大，则式( 1 2 ) 的环路带宽可以简化为： o ) ：当生蜀：蜀(1_4)c k m k ”ok p d k v c o i c p k , , c o c ，+ c ，n 1 2 州 1 有源滤波器以有源双通滤波器【6 1 为例，如图1 1 0 所示。在锁定过程中，双通 路滤波器的积分通路和低通通路共同起作用，两者加和得到最终控制电压。当滤 天津大学硕士学位论文 第一章综述 波器控制电压达到最终值时，低通通路电压慢慢放电到参考电位，它的作用逐渐 由积分通路接替过来，最后实际只有积分通路起作用。其环路带宽可近似为： 皱l c p k v c o _ b 一r p 2 霄n 图1 1 0 有源双通滤波器 1 2 4 压控振荡器( v c o ) 图1 1 l 基本的l c v c o 电路图 ( 1 5 ) 天津大学硕士学位论文 第一章综述 v c o 是锁相环中的高频器件，在直流供电条件下，v c o 的输出频率 ( f o t = 27 rc o o 埘) 随控制电压的线性变化： c o o 。, ( t ) = t o o + k 。( f ) ( 1 6 ) 其中，咖表示当为0 时的输出频率，k 卿表示v c o 的增益。 相位噪声、调谐范围，以及功耗等，都是v c o 设计中必须考虑的因素。常 见的v c o 包括环形振荡器和l c 振荡器，前者节省面积成本、易于集成，后者 噪声性能较好。基本的l c v c o 电路如图1 1 1 所示。 1 2 5 分频器( d i v i d e r ) 及调制器( d s m ) 分频器模块的作用是将v c o 的输出频率按照一定的倍数减小，获得反馈信 号频率，作为p f d 的输入端与参考信号相比较。由于v c o 的输出信号直接加到 分频器的输入端，因而，分频器的最高为几百m h z 的频率限制了v c o 无法达 到2 g h z 左右的高频。这样就需要在其之前加入预分频器模块。分频器结构图如 图1 1 2 所示，v c o 的输出频率厶。经过预分频器分频后再通过两个计数器及 调制器的处理，得到最终的反馈信号f v 。o 。 图1 1 2 分频器结构图 n i p f d i l i j 调制器的作用是实现小数分频，并完成噪声整形，即将输出的高频噪声 转移到低频，通过反馈到滤波器，将其滤除。其工作原理主要是，其内部运算n 位二进制数，当数值达到2 “时量化输出。这样，分频器在不同时刻的瞬时分频 比的平均值即为所需的小数分频数。 天津大学硕士学位论文 第一章综述 1 3 系统分析 本项目源白天津市应用基础及前沿技术研究计划重点项目，高性f l 皂a e 小数 频率合成器的研发，具体技术指标如表1 1 所示。 表1 1 小数频率合成器的设计指标 指标 描述 工艺 c h a r t0 3 5 u r nr f 电源 3 3 v 功耗2 0 m a 参考时钟 2 6 m h z 捕获时间 c 2 、c 3 ，r 1 r 3 ，此时得到四阶p l l 的环路带宽为： 国：k m k v c o 窒! 竺! 坚型竺坠! n c l + c 2 + c ss i n ( o ：) 其中，以：a r c t a n ( 竺) ，砟2 ：a r c t a n ( 旦) ，砟3 ：a r c t a n ( 旦) 。 c o 。 c o p 21(-)p3 那么，便可得到相位裕度： ( 1 8 ) 丸：龙一，2 一，。：a r c t a n ( 竺) 一a r c t a n ( 旦) 一a r c t a n ( 旦) ( 1 9 ) 。 ： 国p 2p 3 通常第三个极点的频率需要远大于第二个极点，因而第三个极点对相位裕度 的影响很小，相位裕度的最大值可认为仍然发生在婢= 厩时。从而 s i n ( 建) c o s ( 九2 ) c o s ( o p 3 ) ，式( 1 8 ) 简化为： q 竿焘坠一f 。= 丛墨， 1 10)iccn2 n n 缈。o 2 一：一1 = - 一氙 l u ， c 1 + ，+ ， 11 3 u t 一j 递 v c ；r l 7 c 2 c 3 东c i 图1 1 3 三阶环路滤波器的电路图 通过上面的结论，可根据性能要求通过m a t l a b 程序计算器件滤波器参数。 反过来通过m a t l a b 噪声模型分析噪声指标是否满足要求，如果满足，则可采用。 天津大学硕士学位论文第一章综述 滤波器的零极点以及第二主极点需要满足声母缈= 鳞= 1 木彩。，。通过以上 反复的过程，最终选取= 3 8 ，即3 8 国，= 皱= 1 3 8 国。，= 1 1 5 彩。，时，按此零极 点分布应该得到5 6 7 度的相位裕度，计算得到r 1 = 3 0 2 3 k q ，r 3 = 3 0 6 4 k q ，c l = 4 0 0 1 p f ，c 2 = 1 3 8 5 p f ，c 3 = 1 3 8 5 p f 。实际仿真结果的相位裕度为5 4 4 7 度， 环路带宽为4 9 2 k h z 。开环传输函数的实际幅频、相频特性曲线如图1 1 4 所示， 零极点为1 3 2 k h z ，第二极点为1 5 4k h z ，第三极点为9 8 9k h z 。 图1 1 4 最终确定的开环传输函数的幅频、相频特性曲线 最终，电荷泵电流、环路带宽( - o c 的选取都是折衷选择的过程，如表l - 3 所示。 表1 - 3i 。和哎选取的折衷 c o c i 印1 5 u a2 0 u a 2 5 u a 4 0 k h z相位噪声小，但总电容大i 5 0 k h z电荷泵噪声大好噪声小，但总电容大，难于集成 6 0 k h z调制器噪声过大 天津大学硕士学位论文 第二章鉴频鉴相器( p f d ) 的设计 第二章鉴频鉴相器( p f d ) 的设计 鉴频鉴相器相当于理想的数字模块，用来检测输入信号间的频率差和相位 差。由于频率差在时间轴上也表现为相位差的累计，因此严格地检测每个相位差 是设计的关键。p f d 应该精确地捕捉每一个信号沿的来临，只有这样才能尽可能 地缩短锁定时间，并克服非线性的影响。 2 1 传统p f d 结构 2 1 1 基本( 典型) p f d 在第一章中介绍过，典型的p f d 原理图如图1 3 所示。p f d 的功能，是在 每个时钟周期内，将输入参考信号与分频后的反馈信号进行比较，其相位误差则 以电压脉冲的形式传递给电荷泵。电荷泵将此脉冲转化为对下一级的充电或者放 电电流，改变下级滤波器的输出电压。 理论上将，电荷泵能够将电压信号成比例地转化为充放电电流。然而在实际 应用中，电荷泵的开关存在节点电容，因此从开启到饱和需要一定的时间。当 p f d 两输入信号间的相位误差较小时，输出脉冲宽度很窄，无法将电荷泵打开， 因而信号丢失，形成死区。另一种形成死区的原因是，p f d 内部模块如触发器存 在延迟，从而导致输出信号本身无法产生脉冲。 死区的存在，会严重地影响输出频谱的质量1 7j ，主要从以下两方面体现： ( 1 ) 传递到v c o 输出端的相位噪声性能会变差。由于反馈信号相对于参考 信号之间的相位差必须要积累到一定程度，环路才能正确响应，因而v c o 输出 的过零点会有比较大的随机变化，称之为“抖动”悼j 。 ( 2 ) 调制器的噪声转移特性恶化。死区会造成小数频率合成器中 a 8 - - 9 i ，。转换的非线性，从而造成中已经转移到高频的噪声又回到低频一部 分，无法顺利通过滤波器滤除。而且分数毛刺( f r a c t i o n a ls p u r ) 又变得明显一j ， 总之低频噪声变得更为显著。 2 1 2 常用( 传统) p f d 由于死区严重影响着锁相环的相位噪声，因而设计关键是要去除死区。传统 天津大学硕士学位论文第二章鉴频鉴相器( p f d ) 的设计 的去死区方法是在p f d 的复位信号后面加一个延迟单元，如图2 1 所示。经验 表明，延迟时间大约为参考周期的5 lo 0 1 。这样做的目的是让p f d 的输出 信号u p 和d n 能在很短的时间内( 即去死区时间) 同时开启。脉冲宽度延长， 则电荷泵有足够的时间可以打开。当u p 和d n 信号同时为高时，在电荷泵中便 存在一段上下两路同时开启的时间，理论上讲，两路电流完全相等，对滤波器的 充放电电流抵消，净电流为零。 图2 1 传统p f d 电路原理图 然而，这样做仍然存在一些问题。首先，由于电荷泵充放电电流存在失配， 上下两路同时开启会导致额外的电流通过滤波器，使控制电压发生变化，噪声情 况也会变差。更主要的是，这样会导致p f d 对较小的相位误差的检测不敏感， 丢失信号沿，从而输出错误，延长锁定时间。 i i 卢” l m 几 舻 m r 1一f - ：席r 叫 。h ，m d 精t 一 f 删 厂 图2 - 2 传统p f d 的错误输出波形 天津大学硕士学位论文 第二章鉴频鉴相器( p f d ) 的设计 图2 2 是传统p f d 工作的波形图，当某个时钟信号的上升沿在延迟时间f 内 到来时，由于两个触发器均处于复位状态，输出不能及时响应输入的变化，将会 导致错误产生。例如( 如图2 2a 所示) ，当d n 输出l 时，由于存在r 时间延时， 复位信号( r s t ) 没能及时置1 ，此时当名f 的上升沿到来，u p 一直输出为高电平 没有变化；或者( 如图2 2b 所示) 当复位信号r s t 为l 时，u p 和d n 输出保 持为0 不变，所以此时若有输入上升沿跳变时，输出将不会变化。即当相位频 率差大于2 万一2 时，其中a = 2 刀f ，由于复位信号( r s t ) 存在f 时间延时， 输出将呈现一个相反的结果，会导致相位和频率差越来越大，这种错误严重影响 了锁相环锁定的特性。理想特性曲线其输出在整个输入相位差的范围内是线性变 化的，如图2 3 ( a ) 所示；而实际特性曲线在零相差附近有一些偏移，在频率差 大于2 万一2 时会产生增益反向【l o 】，如图2 3 ( b ) 所示，在这一区域内，p f d 输 出的错误的控制信号使得相位误差增大，牺牲了环路的锁定时间。 刀刀一 4 r 2 x o 2 x 4 v ( a ) ，：，： 卅卅删 卯“2 “陟。肾伊q ：，：， 一2 a 卜 ( b ) 图2 3 传统p f d 的理想( a ) 和实际( b ) 增益特性曲线 2 2 应用于频率合成器的p f d 设计 基于2 1 节中涉及的p f d 中存在的问题，本文采用了一种新型的p f d 结构， 如图2 4 所示。该电路由两个d 触发器，一个复位单元，一个延迟单元结构，以 及输出单元构成。与图2 1 中传统结构类似的是，它们都具有一个复位和一个延 迟单元，但所区别的是，本结构将复位单元与延迟单元分开。这样的设计，可以 避免复位信号脉冲时间过长而导致的上升沿数据丢失的现象。简单地说，用来复 位的脉冲依然维持较窄的宽度，而延迟单元只作用在输出端，使输出信号获得宽 脉冲。这样既达到了去死区的目的，又不会造成反向增益，锁定速度大为提高。 电路的工作原理是( 以f i e f 的相位先于f v c o 为例) ：当f i e f 上升沿来临，u p 跟随q 1 输出变为高电平，q 2 和d n 输出均为低电平。之后，f v c o 上升沿到来， 天津大学硕士学位论文 第二章鉴频鉴相器( p f d ) 的设计 q 2 和d n 随即变为高电平，q 1 和q 2 很短暂地同时为高。复位信号r s t 变为高， 此时q 1 和q 2 重新降为低电平，复位完成并恢复。这个短暂的复位信号经过延 迟单元中的b u f f e r ，得到延迟后的r s t d 窄脉冲。两个窄脉冲在延迟模块内的共 同作用，导致了延迟信号的负向较宽脉冲，脉冲宽度即为所设定的去死区时间。 延迟脉冲结束时，u p 和d n 信号也恢复低电平。此时一个周期工作结束。这样， 复位用来控制d 触发器的输出，延迟用来控制输出即去死区，使p f d 能够精确 地捕捉到每一个信号沿的来临。 0 ( b ) 图2 4 新型的p f d 电路结构图( a ) 及其采用的d 触发器电路图( b ) 天津大学硕士学位论文第二章鉴频鉴相器( p f d ) 的设计 2 3p f d 电路设计 p f d 的设计是基于c h a r t e r e d0 3 5 u mr fc m o s 工艺，采用c a d e n c et o o l s ( s p e c t r e ，v i r t u o s o ) 进行电路设计、仿真以及版图设计，c a l i b e r ( d r c ，l v s ， l p e ) 进行版图验证。 4 o 一0 0 4 0 一0 0 4 0 、，一1 ，0 4 0 一一1 ，0 4 0 一一1 0 4 o 、，一1 叼 4 0 一l ：d n 三“。已坠且盘且卫一 t i m e ( s ) 图2 5p f d 工作于鉴相条件下的各节点电压输出波形 对图2 - 4 的两输入分别加上周期为3 8 n s ，占空比为l ：l ，上升下降时间为 l n s 的方波信号。在信号与p f d 的输入之间加上两级反相器以完成波形整形。进 行瞬态仿真，p f d 工作于鉴相状态下，各节点( 依次为名f 、。0 、r s t 、r s t d 、 d e l a y 、u p 、d n ) 的电压输出波形如图2 5 所示。结果表明，此电路能够完成理 论分析的功能。 图2 - 6 为延迟单元的工作波形。延迟单元由b u 疵r 、两个反相器和两个最小 尺寸的n m o s 管组成。当一个复位信号r s t 窄脉冲来临时，d 触发器复位，这 个脉冲也即恢复。但是这个窄脉冲通过b u 疏r 延迟，得到了具有一定相位差的脉 冲r s t d 。开始时，r s t 的上升沿控制n m 0 开启，其漏端电压降为低电平，因此 延迟输出d e l a y 也由初始的高电平降为低。经过b u f f e r 提供的去死区时间后，延 时的复位脉冲r s t d 控制n m l 开启，其漏端电压也降为低，这个低电平通过反 天津大学硕士学位论文第二章鉴频鉴相器( p f d ) 的设计 相器的作用使得延迟输出d e l a y 变为高，延迟d e l a y 的负脉冲结束。 4 a 3 侈 一 2 0 一 1 0 o o 一1 0 4 毋 3 0 2 o ) 一 1 0 o o 一1 0 4 0 3 o 一 2 0 三1 0 0 0 1 ，0 5 0 一 2 ，o 一 一1 ，0 5 0 一 2 0 一- 1 0 5 0 一 2 ，0 。一1 0 5 0 一 2 劳 。一1 庙 5 ，毋 一 2 0 一 一1 0 5 , 0 一 2 , 0 一一1 0 口：n e t 2 7r 时 t r o n s l e n t r e s p o n ，e i j f ：n e t l 4r s t - d o 。：n e t 2 7r 时 图2 - 6 延迟单元的详细分析 t r a n s i e n tr e s p o n s e ：n e t 9d d 盯 ：u p - ：d n 岵m e ( s ) 图2 7 复位单元与延迟单元作用的对比 在整个电路中，d e l a y 的负脉冲就是控制u p 和d n 输出同时为高的时间， 2 0 天津大学硕士学位论文第二章鉴频鉴相器( p f d ) 的设计 即去死区时间，图中观察去死区时间约为2 n s ( = 5 t 陀f ) 。至于去死区时间，可 以通过设定b u f f e r 的延迟时间来确定。当然，去死区时间越短，电荷泵电流失配 造成的影响越小( 详见第三章) 。 图2 7 为复位单元与延迟单元作用的对比，将图2 5 与d 触发器的输出节点 的输出波形进行对照。当r s t 变为高电平时，d 触发器的输出端q 1 和q 2 复位， 而此时u p 和d n 信号保持不变；当d e l a y 脉冲结束时，p f d 的输出端u p 和d n 信号才完成复位。 仿真结果表明，该p f d 完成了复位与延迟的分开，并在去死区时间内使u p 和d n 两路输出信号同时为高电平。这样，在去死区时间内，电荷泵上下两路同 时开启。 天津大学硕士学位论文 第三章电荷泵的设计 第三章电荷泵的设计 电荷泵广泛应用于锁相环电路中，正如第一章所提到的，电荷泵将p f d 输出 的数字信号转化为控制v c o 的模拟信号，同时又完成了电压一电流一电压的转 换。因此，其重要性显而易见。同时，其性能的微小变化也可能导致整个系统的 输出频谱质量出现巨大差异。 3 1 电荷泵的综述 3 1 1 电荷泵中的非理想效应 电荷泵的设计之所以如此重要，很大程度上是由于在电荷泵的设计中会存在 很多非理想的效应，而这些效应会恶化锁相环系统的整体性能。因此，深入地分 析这些效应的来源就显得非常必要。下面介绍几种常见的非理想效应，包括电流 失配，电荷泄露，开关效应等。 电流失配 由于工艺、结构以及基准源等的影响，电荷泵在上下两路电流开启时，并不 是完全地匹配的，甚至具有一定的电流差血。而电流失配和开关时间失配都是 发生在上下两路电流分别对滤波器充放电时所产生的不匹配。设p f d 的导通时 间为出。，参考信号源的周期为，得到由此引起的相位误差以可表示如下1 ： 悼玑等( 竿一，) 功等拿 ( 3 1 ) 在三阶锁相环系统中，环路带宽其相应频率为正，分频比为n ，当滤波器 处于过阻尼状态以避免过冲问题时，由电流失配所导致的毛刺p r 表达式为 牲娃老小丸 - 2 0 i 。g 睁p ( 3 2 ) 当电荷泵中发生电流失配时，最好的解决方法就是尽可能地减小开启时间， 天津大学硕士学位论文 第三章电荷泵的设计 也就是减小p f d 的去死区时间【l l 】。同时，从式( 3 2 ) 中可以看出，降低环路带 宽丘以及分频比n ，都可以减小失配引起的毛刺。 电荷泄漏 电荷泄漏通常由电荷泵本身引起，同时片上的可变电容以及电路板上任何的 漏电流都可能导致电荷泄漏1 1 1 】。漏电流引起的相位误差在亚微米工艺中可以忽略 不计，但是其毛刺却是不容忽视的。漏电流引起的参考毛刺通常也可由式( 3 - 2 ) 表示。 开关效应 顾名思义，作为电荷泵开关的m o s 管，其上升沿或下降沿的变化都会导致 负载电容的微弱充放电过程，从而影响输出点电位的理想值。开关效应主要包括 电荷注入，时钟馈通及电荷分享等。 ( 1 ) 电荷注入 发生在导通到断开的变化过程中。当m o s 管处于导通状态时，在二氧化硅 与硅界面存在沟道，沟道中存在反型电荷。当开关断开后，这部分电荷便会通过 m o s 管的源漏端流入负载电容，形象地称其为“电荷注入”。 ( 2 ) 时钟馈通 发生在时钟信号的跳变过程中。m o s 管会通过其栅漏或者栅源交叠电容将 栅压跳变耦合到采样电容上。在时钟信号的上升沿或下降沿跳变很快时，m o s 管开关就会将时钟信号的跳变耦合到输出电容上。这样引起的电压误差，称之为 “时钟馈通”。 ( 3