（电路与系统专业论文）光纤通信系统stm64256和万兆以太网时钟产生及恢复集成电路设计.pdf

摘要 摘要 7 0 年代以来，以光纤为传输线路的局域网l a n ，城域网m a n ( m e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k s ) ，广 域网w a n ( w i d ea r e an e t w o r k s ) ，异步传递模式a t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) ，和同步数字体 系s d h ( s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ) 等一系列高速数字通信标准相继建立。 随着s d h 标准向s t m 6 4 ( 1 0 g b s ) 和s t m 2 5 6 ( 4 0 g b s ) 提升，系统对芯片速度提出了更高 的要求。g a a s 工艺的器件具有很高的载流子迁移率，且衬底为半绝缘体，因此适用于超高速和高 频电路中。万兆以太网标准( 8 0 2 3 a e ) 是以太网标准( i e e e8 0 2 3 ) 的成功扩展，它使用了与8 0 2 3 相同的载波监听冲突检测( c s m a c d ) 机制、拓扑结构和帧格式，支持l a n 、m a n 和w a n 并 与s d h 和0 c 1 9 2 兼容。 本文介绍了万兆以太网系统标准i e e e 8 0 2 3 a e ，给出了系统物理层时钟产生模块的技术指标。 针对目前应用最为广泛的锁相环( p l l ) 技术，文章作了较为详细的分析。在此基础上提出了一种 新型的时钟恢复电路( c r c ) 结构一注入同步结合锁相环( i p l l ) 型c r c 。该结构的c r c 具有同 步振荡器( s o ) 和p l l 的长处。解决了简单p l l 电路易失锁，s o 的稳定性差的问题。定时抖动和 相位噪声是设计时钟产生( g e ) 和时钟恢复电路时需要考虑的一个重要问题。文中介绍了抖动和相 位噪声的定义、分析和优化方法。 第三章给出了基于o 1 8u m c m o s ( 互补金属氧化物半导体) 工艺、采用环形结构的11 g h z 压 控振荡器( v c o ) 的电路设计、模拟结果、最终的版图和测试结果。第四章给出了基于o 2u mg a a s p h e m t 工艺、采用简单p l l 结构的g e 电路设计、模拟结果、版图和测试结果。第五章给出了基 于o 2u mg a a sp h e m t 工艺的i p l l 的电路设计、模拟结果和版图。 【关键词】万兆以太网同步数字系统( s d h )时钟产生( c g )锁相环( p l l ) 互补金属氧化物半导体( c m o s )砷化镓注入锁定 抖动 相位噪声 i i i ?东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t s i n c e19 7 0 s ，t o g e t h e rw i t ht h ei n t r o d u c t i o no fd i f f e r e n tf i b e r - b a s e dl a n s ，m a n s ( m e t r o p o l i t a na r e a n e t w o r k s ) ，w a n s ( w i d ea r e an e t w o r k s ) ，t h ea t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) ，t h es d h s o n e t ( s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y s y n c h r o n o u so p t i c a ln e t w o r k ) a n d s oo n ，aw i d ef i e l do f u l t r a - h i g h s p e e dd i g i t a lc o m m u n i c a t i o n sh a sb e e no p e n e d a st h es t a n d a r do fs d hu p g r a d e st os t , m - 6 4 ( 0 一g b s ) a n ds t m 一2 56 ( 4 0 一g b s ) i nr e c e n ty e a r s ，t h e s p e e do fi cc h i p sm u s tb ep r o m o t e da c c o r d i n g l yt h eh i g h - f r e q u e n c yo rh i g h s p e e do p e r a t i n g c a p a b i l i t yo fg a a sd e v i c e si sb a s e do nt h e i ra d , 矿a n t a g e o u sm a t e r i a lp r o p e r t i e si n c l u d i n gh i g h c a r r i e rm o b i l i t y , 1 a r g ed r i f tv e l o c i t y , a n ds e m i i n s u l a t i n gr e s i s t i v i t y 10 一g i g a b i te t h e r n e ti st h e d e v e l o p m e n to ft h ee t h e r n e t si e e e 8 0 2 3s t a n d a r d ，e m p l o y i n gc s m a c da n dt h ei e e e 8 0 2 3 ( e t h e m e t ) p r o t o c o la n df r a m ef o r m a t 。t h i si sa c o m p r e h e n s i v ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r df o rl a na n dm a n 。10 - g i g a b i t e t h e r n e ta l s oc a nb ec o m p a t i b l ew i t ht h ed a t ad e f i n ef o rs o n e to c 一19 2a n ds d h t h i sp a p e ri n t r o d u c e si e e e 8 0 2 3 ( e t h e m e t ) p r o t o c o la n dt h er e q u i r e m e n t s t h ep a p e ra l s og i v e sa d e t a i l e da n a l y s i so ft h ep h a s e l o c k - l o o p s ( p l l ) ，w h i c hi sc u r r e n t l yt h em o s tw i d e l yu s e dt e c h n i q u e b a s e do nt h ea n a l y s i s ，an e wt y p eo fc l o c kr e c o v e r yc i r c u i t ( c r c ) 一i n je c t i o n s y n c h r o n i z e dc o m b i n e d w i t hp l li sp r e s e n t e d t h i st y p eo fc r ce n jo y st h ea d v a n t a g e so fs y n c h r o n o u so s c i l l a t o r ( s o ) a n dp l l ， w h i c hr e s o l v e st h eo u t o f 1 0 c ka n di n s t a b i l i t yp r o b l e m t i m i n gj i t t e ra n dp h a s en o i s ea r ei m p o r t a n t c o n s i d e r a t i o n sf o rt h ed e s i g no fc r ca n dc l o c kg e n e r a t i n g ( c g ) t h e r e f o r e ，t h ep a p e ri sd e v o t e dt ot h e d e s c r i p t i o no f t h et i m i n gj i t t e r , p h a s en o i s e ，a n dt h e i ra n a l y s i sa n dt h e i ro p t i m i z a t i o n t h et h i r dp a r to ft h ep a p e rp r e s e n t sav o l t a g ec o n t r o l l e do s c i l l a t o r ( v c o ) c h i pf a b r i c a t e di no 18u m c o m p l e m e n t a r y m e t a l o x i d e - s e m i c o n d u c t o r ( c m o s ) t e c h n o l o g y t h ef o u r t hp a r to f t h ep a p e rp r e s e n t sa c gc h i pf a b r i c a t e di n0 2u mg a a sp h e m tt e c h n o l o g y t h ef i f t hp a r to ft h ep a p e rp r e s e n t st h ed e s i g no f i n j e c t i o n p l l ( i p l l ) i n0 2u m g a a sp h e m tt e c h n o l o g y k e y w o r d s 10 一g i g a b i te t h e r n e t ， s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ( s d h ) ， c l o c kg e n e r a t i n g ( c g ) ， c o m p l e m e n t a r y m e t a l o x i d e - s e m i c o n d u c t o r ( c m o s ) ， g a a s p h a s e l o c k - l o o p s ( p l l ) i n j e c t i o nl o c k i n g ，j i t t e rp h a s en o i s e ：_ - 1 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。 期：至! 翌生! 垒：至垒 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：耋皇拖导师签名： 第二章时钟产生电路的原理 1 光纤通信系统 1 1 1 概述 第一章引言 光纤通信系统从1 9 7 3 1 9 7 6 年的8 5 0 n m 波长的多模光纤通信系统为代表的第一代开始，发展到 7 0 年代末，8 0 年代初的多模和单模光纤通信系统，然后是8 0 年代中期以后的长波长单模光纤通信系 统，距离约5 0 k m ，第四代是9 0 年代以后的同步数字体系光纤传输网络。随着国民经济的发展，语言、 图像、数据等信息迅速增长，尤其因特网的快速兴起，广大用户对通信网宽带的要求十分迫切。因此， 光纤通信的扩大传输容量势在必行。 作为一个国际复用标准，同步数字体系正( s d h ) 是从美国的光接口标准s o n e t 演变而来的。 s o n e t 是为了解决准同步数字体系( p d h ) 的缺点而产生的。对s o n e t 经过修改以适应欧洲接口速 率，s d h 被c c i t t ( 现在的i t u t ) 采用并作为全球传输标准。 点到点连接的计算机网络中，以太网是如今最流行的局域网，并获得了全球市场的承认。万兆以 太网标准( 8 0 2 3 a e ) 是以太网标准( i e e e8 0 2 3 ) 的成功扩展。它保留原有的基础设施，与现有以太 网技术相兼容，由此可以节约大量投资，因而极具吸引力。与千兆网络相比，升级后的万兆以太网依 旧可使用已有的光缆。由于规范支持8 5 0 n m 、1 3 1 0 n m 和1 5 5 0 n m 三种激光振幅，而1 3 1 0 n m 规范中包 含两种单幅和w w d m ( 宽幅波分多路复用) 方式，这意味着万兆以太网可以用于多模和单模线缆。 万兆以太网另一个很大的优势是，它有效地具有了在s d h 或s o n e t 上建立以太网的能力，这也 意味着万兆以太网可以走向广域网的区域，将全球范围内的计算机和桌面系统连接起来。这使人们可 以推迟安装s d h 或s o n e t 的时间，因此可以提供很大的资源和节省资金。 1 1 2s d h 系统构成 除了数字信号的准确性、数字电路的简单性和数字系统的兼容性外，数字通信的另一个优点是传 输后，数字信号或数据序列能够在信道的中继器和终端接收器中以很小的误码率再生很多次，可以消除 系统的噪声和其它失真。数据再生实际上是数字通信的一个极好的特点。用电路设计的角度看，它是整 个系统的一个关键部分。数据再生包括两种功能：时钟恢复和数据判决。 一个完整的接收发机，如图1 1 所示，包括一个光检测器、前置放大器、具有均衡和滤波功能的主 放大器、时钟恢复电路、数据判决电路和分接电路乜5 | 光检测器将经光纤传输衰减和畸变后的微弱光 1 东南大学硕士学位论文 脉冲信号通过光电转换变为电流脉冲信号，前置放大器将来自光检测器的微弱电流转换为电压输出，主 放大器将前置放大器输出的电压小信号放大至一个足够大且恒定的幅度，以便于驱动后续的时钟恢复 和数据判决电路时钟恢复和数据判决电路用来实现时钟和数据的再生最后高速数据流由分接器分接 为低速数据流 1 1 3 万兆以太网系统构成 ，、，n 趾r 、r 、， 图1 1接收机示意图 万兆以太网与i s o 开放系统互联( o s i ) 参考模型关系如图1 2 所示，物理层对应于i s o 模型中 第一层物理层，主要负责传输介质与媒质介入子层( m a c ) 的连接。m a c 层对应于o s i 模型中的第 二层数据链路层( d a t al i n k ) ，1 0 g 媒质独立接口( x g m i i ) 提供m a c 与物理层内连，适配层( r s ) 完成x g m i i 提供信号与m a c p l s 服务定义的映射。物理层子上而下包括：物理编码子层( p c s ) 、 物理媒质连接子层( p m a ) 、物理媒质关联子层( p m d ) 。 m a c x g m i i x g m i ix g m l l 6 4 b 6 6 bp c s w i s p m 队 p m d m d i 8 b 门o bp c s p m a p m d 丽丽r t m f e d i u mm e d 删 1 0 gb a s e wl o gb a s e x m d i = m 【e d i u md e p e n d e n ti n t e r f a c ep ) = p h y s i c a lm 匣d i u md e p e n d e n t p c s = p h y s i c a lc o d i n gs u b l a y e rw i s = w a ni n t e r f a c es u b l a y e r p h y = p h y s l c a ll a y e rd e v i c ex g i = 10g i g a b i tm e d i ai n d e p e n d e n tr n t e r f a c e p m a = p h y s l c a lm 匣d i u ma t t a c h m 匣n tx s b i 号10g i g a b i ts i x t e e nb i tl n t e r f a c e 图1 2 万兆以太网与i s o 开放系统互联( o s i ) 参考模型关系 物理层分为1 0 g b a s e r 、10 g b a s e w 、1 0 g b a s e x ，万兆以太网指1 0 g b si e e e8 0 2 3 ， m a c ( 1 0 g i g a b i te t h e r n e tm a c ) 与任意i e e e8 0 2 31 0 g b a s e 物理层连接，表1 1 给出了特定要求： 2 第二章时钟产生电路的原理 。1 。o 一 表1 1三类物理层要求 c l a u s e 4 84 95 05 15 25 3 n o m e n c l a t u r e 8 b 门0 b6 6 b 6 4 bw i s s e r i a i 8 5 0n m1 3 10n m1 5 0 0n m1 3 1 0n m p c s p c s p m a s e r i a is e r i a is e d a lw d m p m a p m dp m dp m dp m d 1 0 g b a s e s r mmm 1 0 g b a s e s w mmmm 10 g b a s e - l x 4 mm 1 0 g b a s e l rmmm 1 0 g b a s e l w。mmmm 1 0 g b a s e e rmmm 10 g b a s e e wmmmm m = m a n d a t o r y 1 0 g b a s e x 家族的物理层采用8 b 1 0 b 编解码方式，由1 0 g b a s e l x 4 构成。4 路3 1 2 5 g b p s 光路降 低了光电和电光器件成本，p m d 为1 3 1 0n mw d m ( w a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 。1 0 g b a s e r 家 族的物理层采用6 4 b 6 6 b 编解码方式，1 0 3 1 2 5 g b p s 串行p m d 。家族成员有1 0 g b a s e s r 、 1 0 g b a s e l r 、1 0 g b a s e e r 。1 0 g b a s e w 家族的物理层采用6 4 b 6 6 b 编解码方式，- 9 9 5 g b p s 串行 p m d ，适用于a n s it 1 4 1 6 1 9 9 9 ( s o n e ts t s 1 9 2 c s d hv c 4 6 4 c ) 物理层特性，基于6 4 b 6 6 b 编解码的 s t s 一1 9 2 c s d hv c 4 6 4 c 数据包的应用。需要广域网接口子层( w i s ) ，提供i e e e8 0 2 3m a c 的帧格 式与s o n e ts t s 1 9 2 c s d hv c 4 6 4 c 帧格式之间的兼容。家族成员有1 0 g b a s e s r 、1 0 g b a s e 。l r 、 1 0 g b a s e e r 。本次设计物理层选用1 0 g b a s e r 。 物理编码子层( p c s ) 提供x g m i i 所要求的全部服务，p c s 的特性有： 1 编码( 解码) 八组八位字节x g m i i 数据为( 从) 6 6 一比特数据块。 2 传输编码数据到( 从) p m a 层按1 6 比特传输。 3 当连接到w a np m d 时，删除( 插入) 空闲字补偿m a c 和p m d 之间的速率差异。 4 时刻监测功能连接的建立，当物理层准备就绪时，提供m d i o 控制信息。 按照i e e e 8 0 2 3 a e 标准，p c s 层接收端分为：同步、误码及同步头监测、解扰码、6 4 b 6 6 b 解码。 下图是功能框图：7 2 数据包括两个t x d 和t x c ，t x c 是八位t x d 的控制比特，t x d 为 数据字符时t x c = 0 ，当t x d 为控制字符时t x c = 1 。 6 4 b 6 6 b 编解码按协议规定码表转换，实现x g m i i 控制字符与p c s 控制字符映射，同时插入两 比特同步头。接收中出现表中没有的码子认为错误。扰码器按特征方程g ( x ) = 1 + x 3 9 + x 5 8 进一步编 码，增加比特字的1 、o 变化，为接收端时钟恢复提供方便。变速箱( g e a r b o x ) 在6 6 位速率为1 5 6 2 5 m b 的扰码器输出块和1 6 位速率为6 4 4 5 3 1 2 5 m b p s 的p m a 接e l 之间起速率匹配作用。 3 东南大学硕士学位论文 p k , i at y r tk q r r ( pn - 4 i i 一 一7 t x d p c st r a n s m i t t x c p m a _ t x _ c l k 一 t xc l k 6 4 b 6 6 b ls c ra 位l e+ g e a r b o x 一 e n c o d e1 r 扰码器、：j r ，“变速箱” x s b it x 一 编码 - r p m a _ u n i t d a t a r e q u e s t x l 二7 i j l 日j 少7 阻卓脚 个 gp m 。x s b i r x c 6 6 b 6 4 b s i j d e c o d e d e s c r a j 临l e 块同步 p 【au n i t d a t a i n d i c a t e 解扰码器： r x d 。解码 p m ar xc l k r x c j + s y n ce r r ( o p t i o n a l ) r x c l k 个na 同i 匕胁i- q f ，一一 厶7 i 一1 2 少性 p c sr e c e i v e p c s p m as i p m as i g n a l n d i c a t e ， - 一v 图1 3p c s 层功能框图 物理媒质连接子层( p m a ) 提供p c s 或w i s 与p m d 之间的连接，主要功能包括： 1 发送端： a ) 为p m a 客户端提供传输源时钟。 b ) 将1 6 比特的并连数据复接成1 比特数据流。 c ) 传输串行数据给p m d 2 接收端： a ) 从p m d 传输来的串行数据中恢复出时钟。 b ) 提供恢复时钟给p m a 客户端。 c ) 将1 比特数据流分接成1 6 比特的并连数据。 d ) 传输并行数据给p m a 客户端。 e ) 提供连接状态信息。 4 第二章时钟产生电路的原理 p m a _ t x c l k _ s r c ：。发送时钟? 产生单元。 p m a _ t x _ c l k p m d _ u n i t d a t a r e q u e s t 一 x s b it x 1 6 路到l 路的复接 一 - p m a _ u n i t d a t a r e q u e s t p x s b ir x p m du n i t d a t a i n d i c a t ep _ 一 1 路n 1 6 路的分接cm s 1 m au n i t d a t a 1 n d i c a t e a d p m a _ r x _ c l k 时钟信号 s y n c _ e r r ( o p t i o n a l ) 接收时钟 i _ i _ 一 t 恢复单元 i 山 p m a s i p m ds l g n a l i n d i c a t e 1 一了仪小逻科 p m as i g n a l i n d i c a t e p 队 图1 4p m a 层功能框图 物理媒质连接子层( p m a ) 与p c s 或w i s 接n ( x s b o 定义见左侧，x s b j 提供由不同制造商制造 的用于1 0 g b a s e r 家族和1 0 g b a s e w 家族p h y 层的器件的兼容。在全集成电路中不要求必须使用 x s b i 接口。表1 2 为x s b i 接口要求的信号： 表1 2x s b i 接口要求的信号 s y m b o ls i g n a ln a m es i g n a lt y p e a c t i v el e v e l x s b i _ t x t r a n s m i td a t a i n p u t h p m a t x c l k t r a n s m i tc l o c k i n p u t r i s ee d g e p m a _ t x c l k _ s r c t r a n s m i tc l o c ks o u r c e o u t p u t e i t h e re d g e x s b i r x r e c e i v ed a t a o u t p u t h p m a _ r x _ c l k r e c e i v ec l o c k o u t p u i r i s ee d g e p m a _ s i p m as i g n a li n d i c a t e o u t p u t h p m a 客户端p c s ( 或w b ) 发送1 6 位并连l v d s ( 1 0 w v o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g ) 数据表示为 x s b it x 至i jp m a ，p m at xc l k 上升沿，x s b it x 锁存到p i s o 以实现1 6 路到1 路的复接。 p m at xc l k 根据p m a 提供的p m at xs r c 时钟获得，内部时钟产生单元t x c g u ( t r a n s m i tc l o c l k g e n e r a t i o nu n i t ) 通过参考时钟r e f c l k ，产生内部比特流时钟，用于复接锁存到p i s o 单元的数据， 然后传输比特流( p m du n i t d a t a r e q u e s t ) 到p m d 。 一 p m a 接收p m d 发送的数据p m du n i t d a t a i n d i c a t e ，提取比特流时钟并恢复出数据，恢复出的 数据分接为1 6 路x s b ir x 在1 1 6 比特速率的p m at xc l k 的上升沿，发送到p c s ( 或w i s ) 。 p m at xc l k 从p m d 发送的p m d 中提取，当 没有发送数据时，u n i t d a t ar e q u e s tp m d 5 r 东南大学硕士学位论文 p m at xc l k 由参考时钟得到。如p s i 无效或s y n ce r r 有效时，p m ds i - - 0 表示接收器无法从 接收数据中恢复出时钟。 p m a s i g n a l i n d i c a t e 是p m d s i g n a l i n d i c a t e ，s y n c _ e r r 和可选p m a1 0 0 p b a c k 信号的函数。 当p m al o o p b a c k 无效时，不管p m ds i g n a l i n d i c a t e 是否有效p m as i g n a l i n d i c a t e 为f a i l 。当 s y n c为有效时，p m 无法从输入数据流恢复出时钟， 为fail。当pmaerr p m as i g n a li n d i c a t e l o o p b a c k 有效时，不管p m ds i g n a l i n d i c a t e 是否有效p m as i g n a l i n d i c a t e 为有效。 1 1 4 主要技术指标 x s b i 接口的输入输出d c 特性除下表给出的均符合a n s i t i a 6 4 4l v d s 所描述的特性。无特殊 声明所有有关电参数( a c 、d c ) 术语和测试条件同t i a e i a 6 4 4l v d s 。 表1 3x s b i 接口的输入输出d c 特性 s y m b o l p a r a m e t e rc o n d i t i o nm i nm a xu n i tn o t e v o d | o u t p u td i f f e r e n t i a lv o l t a g ed i f f e r e n t i a | i o a d ， 2 5 04 0 0m v = 1 0 0 f 2 - i - 一1 v o s o u t p u to f f s e tv o l t a g e d i f f e r e n t i a ll o a d ，11 5 013 7 5m va = 1 0 0 f 2 + 一l r oo u t p u ti m p e d a n c e ，s i n g l ee n d e d 4 01 4 0o a r or om i s m a t c h 1 0 a v o dc h a n g ei nv o db e t w e e n ? ? a n d ? 口 d i f f e r e n t i a i l o a d 5 0m v 尺捌= 1 0 0 q + 一l a v o s c h a n g ei nv o sb e t w e e n ? ? a n d ? 口d i f f e r e n t i a i i o a d ， 5 0m v = 1 0 0 f ) + 一1 v ii n p u tv o l t a g er a n g e v g p di 1 0k h z17 5a s ( p - p ) a n dp m al - xc l k 7 1 2 本文 的顺序白 重讨论了 路设计、 生电路设 作简要的 8 第二章时钟产生电路的原理 第二章时钟产生与锁相环原理 2 1时钟产生电路原理 时钟产生电路的目的就是生成一个稳定的时钟信号，其实现方法多种多样：低频的时钟可以直 接由晶振产生，但当需要产生的时钟到达g h z 以上的频率时，用品振产生将变得比较困难，这时多 采用倍频和频率综合的方法来实现，下面我们将分别讨论它们的特点。 2 1 1 倍频器方案 倍频器是将低频振荡源到高频振荡源转变的方便手段，可以使用肖特基二极管和阶跃二极管构 成的无源倍频器，它需要较高的输入功率同时需要前端放大器和后继放大器，这是因为它的转换损 失很大。有源的倍频器，与无源倍频器相比，其输入信号功率可以很小，同时转换效率也比无源倍 频器高得多。它的工作原理主要是利用晶体管的非线性产生谐波分量，当谐波产生后再经频段选择 放大器放大输出，频段选择放大器可以通过在晶体管漏极使用带通滤波器实现。 无源倍频器的转换效率只有1 n 2 【1 】这里的n 表示谐波数，例如二次谐波的转换效率只有2 5 ， 这意味着四次谐波的转换效率只有6 2 5 ，而且这是最大值，为了达到这个值还要保证输入阻抗匹 配，同时在输入还要加入低通滤波器来减小高频信号的泄漏，当然低通滤波器也可以同时用于阻抗 匹配。 输入端的低通滤波器和晶体管管漏极使用的带通滤波器都要使用无源器件电感和电容，我们知 道电感和电容在集成电路中占用面积都比较大，如果改用微带线来实现电感，微带线的长度是可观 的。由于转换效率的原因，1 6 倍频无法通过一次倍频产生，最少需要四次倍频。这样不但面积很大， 而且由于工艺的偏差，参数不匹配，就会出现很大谐波分量，它们将相互干扰，而由于系统本身存 在非线性，因此还会通过混频产生更多的谐波分量。 、 基于上述种种原因，本次设计中没有采用倍频器方案来实现1 6 次倍频，而是采用了基于锁相环 的频率综合器来实现1 6 次倍频。 2 1 2 频率综合方案 p l l s ( p h a s e l o c k e dl o o p s ) 普遍存在于现代通信系统中。一个重要的例子，p l l 可以用于产生一 个输出信号，其频率通过程控可以是输入固定频率的倍数。合成的输出可用作超外差接收机的本振。 除了用于时钟产生电路外，p l l 还用于减小抖动、锁定相位或是时钟恢复电路中。频率综合方案与 倍频器相比吏易集成且电路本身的q 值更高，甚至可以超过1 0 0 0 。 9 东南大学硕士学位论文 2 2锁相环的基本原理 2 2 1 锁相环的基本拓扑结构 锁相环是一个保持输入与输出一定相位差的反馈系统，简单的锁相环见图2 1 包括鉴相器( p d ) 、 低通滤波器( l p f ) 和压控振荡器( v c o ) 。鉴相器将输入信号相位变化放大，反馈环锁定输入输出 的相差为定值j 从而输入输出的频率相等。 图2 1简单锁相环 在锁定状态下，环路中所有信号处于稳定状态，锁相环工作情况如下：鉴相器输出的直流信号 与输入信号x ( t ) 禾l j 输出信号y ( t ) 相位差成比例，低通滤波器抑制p d 输出的高频成分，直流输出控制 v c 的频率。 图2 2 给出了锁相环各点信号的例子，输入输出频率相等相位不同，鉴相器产生脉冲信号，脉 冲宽度等于输入输出信号过零点的时间差，脉冲经过低通滤波器后产生直流电压控制v c o 振荡在 所需频率上。 x ( t )厂 厂 厂 厂 厂 y ( t )r 厂 厂 厂 厂 t t p d lpf：叭：穴：穴：八於：穴：a：-入：八?一kp。fou t p u t 1 “ t 图2 2锁相环各点信号示意图 现在我们定性研究t t o 时锁定，而f = 硒时经历一个小的正向的频率跳变情况下锁相环的相应。 。 如图2 3 ( 为了便于说明，图中的频率跳变只有百分之几) 我们注意到由于输入频率瞬间大于输出频 率，x 的相位积累比y 快，n 止l ，鉴相器输出的脉冲宽度不断增宽。增宽的脉冲宽度使低通滤波器 输出直流增加，从而使v c o 振荡频率提高。随着输入频率和输出频率差减小，相位比较脉冲宽度 l o 第二章时钟产生电路的原理 减小，最终达到稍高于f 嘞时的值。 上面的分析给出了锁相环“跟踪”能力了解，如果输入频率变化慢，那么它的变化可以看作是 连续的小而窄的跳变，每一次跳变锁相环行为类似于图2 3 x ( t ) y ( t ) 0 3 0 i + a 0 3 p d o u t p u t l p f o u t p u t t 0t 图2 3锁相环对微小频率跃变的相应 值得注意的是，只有当下面两个条件满足时环路锁定：i ) 输入频率和输出频率相等；2 ) 输入 输出相位差稳定在正确的值上，如果两个频率在某一点相等，但是相位差没有建立在v c o 所要求 的控制电压上，那么环路必然继续瞬变，使得频率瞬时不等，换句话说，“频率捕获”与“相位捕获” 都必须完成。 如果锁相环的输入有恒定的附件相位，即严格的周期信号广但是输入输出相位差随时间变化， 那么我们说环路为“失锁”，这是我们不期望的状态，因为输出没有跟踪输入，或者输入信号与输出 信号之间的关系太复杂，不能利用。例如，输入信号频率远离v c o 的自由振荡频率，环路永远无 法锁定。虽然锁相环失锁时的行为不重要，但它是否和如何进入锁定状态都很重要，捕获锁定将在 下文作详细解释。 在详细分析锁相环之前，我们得三个重要结论，第一，因为锁相环是“有记忆”的系统，它的 输出要求在有限的时间内相应输入的变化，这要求对环路的动态性能有很好的了解。第二，锁相环 中不同与其他反馈系统，环路中我们所感兴趣的变量的量纲是变化的，相位通过鉴相器转变为电压， 通过低通滤波器给v c o ，最终v c o 又将电压转变为相位。第三，在锁定情况下，无论环路增益有 多大，输入信号频率与输出信号频率完全相等。这一点是非常重要的，因为许多应用中即使输入信 号与输出信号频率之间存在很小的不同也是不能容忍的。注意如果用鉴频器取代鉴相器，这个性质 就不存在了。 东南大学硕士学位论文 锁相环是基于相位工作的，而在许多情况下我们感兴趣的参数却是频率。例如，我们经常需要 知道下面几种情况下环路的相应：1 ) 输入频率变化很慢；2 ) 输入频率变化很快；3 ) 当锁相环开始 工作时，输入与输出频率不等时。因此，在锁相环的行为中，对于不等的输入频率鉴相器起着很重 要的作用。 2 2 2 锁相环的数学模型 如果我们假设锁相环系统在所以时间处于锁定状态，相差认为很小，我们可以将s i ne 。近似成0 e ， 使鉴相器特性线性化。应用l a p l a c e 方程表示图2 4 中p l l 中模块的传递函数： 鉴相器 低通滤波器 压控振荡器 p 佟l 秽爹 岛( s ) 巩( s ) f 譬嫡 图2 4 锁相环数学模型 掣= k d 见( 刚 口 忑u i ( s ) 亍f ( s ) u d ( s ) 一 幺s k o u ，( s ) s 从式( 2 1 2 3 ) 我们可以计算出0 2 ( s ) 和0 。( s ) 关于0 l ( s ) 的函数 m 端 见i ( ? = 鬲杀而 我们介绍两个在后文中经常使用的两个传递函数 相位传递函数： 1 2 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 第二章时钟产生也路的原理 邮) _ 器= 赫k o k d f ( s ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 如果系统动态响应可以描述成n 阶微分方程，那么说系统是n 阶的，这时传递函数的分母中s 的阶数为n 阶。如果我们假设环路滤波为一阶的，引入的传递函数f 两) 是一阶的。根据式2 6 可知 相位传递函数和误差传递函数都变成二阶的。因此我们说锁相环系统的阶数是环路滤波器阶数加l 。 接下来将主要讨论目前为止广泛应用的二阶锁相环。在一些系统中也使用高阶系统，二阶的低 ， 通滤波器得到三阶的锁相环。由于环路相移可能超过1 8 0 。，特别要注意系统稳定性问题。 为了获得线性二阶锁相环的传递函数，我们必须代入低通滤波器传递函数f ( s ) 至l j 式2 6 中， 中我们给出四种不同的一阶低通滤波器【2 j 。但是l 类是2 类时间常数1 ；2 - - 0 的特殊情况，4 类是3 类 时间常数t 2 - - 0 的特殊情况。因此我们只需计算无源滤波器和有源滤波器两种情况。我们得到相位 传递函数郧) 分别为： 采用无源滤波器 帅，=五k磊oka(s蕊z2+1)zls z + s ( k n k ，羔) + 二竖 互q 采用有源滤波器 h ( s ) = _ k o 疆k d ( 葡s 9 2 + 丽1 ) ( j r , + 面r 2 ) s 。4 - s ( 兰! ) + 二兰 1 + l 22 l4 - t 2 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 在控制理论中，通常把表达的分母写成式2 1 0 的形式，称作标准化。 分母= s 2 + 2 弦玎s