（电路与系统专业论文）一种快速锁定电荷泵锁相环的设计.pdf

摘要 自从上个世纪3 0 年代锁相环理论被提出来以后，锁相环在电子和通讯等领 域得到了迅速而广泛的应用。在数模混合系统中，锁相环是最基本的模块之一， 它们被用来进行时钟和数据恢复，解调或者频率合成。 本文设计了一个快速锁定的电荷泵锁相环电路，可以作为8 0 0 m n z 和6 4 0 m h z 时钟发生器，用作单片机等的基准时钟信号的产生模块。对于传统的电荷泵锁相 环，环路带宽眈的选择需要在锁定时间和输出相位噪声之间进行折衷，为了最 小化输出噪声抖动，锁相环的环路带宽应当尽可能小，但减小环路带宽会增加锁 定时间，为了获得最好的跟踪和捕获特性，环路带宽应尽可能的大。为了得到快 速锁定的锁相环同时满足好的噪声性能，通常采用双斜率鉴频鉴相器，它包含一 个用于细调的p f d 和一个用于粗调的锁定检测器。本文所采用的结构能够有效地 减小锁定时间，同时环路的稳定性没有改变。 本文设计的锁相环采用s m i c0 1 8 u mc m o s i 艺，工作电源电压为3 3 v 。使 用m e n t o r 公司的射频电路仿真工具e l d o r f 进行电路仿真。仿真结果表明，改进的 锬相环的锬定时间小于1 2 u s ，比普通的锬相环的锁定时间减小了很多。工作在 8 0 0 姗z 频率下时，整个锁相环的功耗是2 1 m w 。 本文分析和总结了锁相环系统的设计理论，并对电路中的各个子模块做了 优化。文中给出了一个带差分控制的三级环形压控振荡器，该压控振荡器的调谐 范围为5 6 0 姗z 到1 0 2 0m h z ，相位噪声在1 m h z 频偏时为一1 0 1 2d b c h z ，功耗为 1 6 8 i w 。 关键词：锁相环，鉴频鉴相器，锁定检测器，抖动，快速锁定 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec o n c e p to fp h a s el o c k i n gw a si n v e n t e di nt h e1 9 3 0 sa n ds w i f t l y f o u n dw i d eu s a g ei ne l e c t r o n i c sa n dc o m m u n i c a t i o n p h a s el o c k e dl o o p s ( p l l s ) a r eb a s i cb u i l d i n gb l o c k sf o ra n a l o ga n dd i g i t a ls y s t e m s ，i nw h i c h t h e ya r eu s e df o rc l o c ka n dd a t ar e c o v e r y ，d e m o d u l a t i o no rf r e q u e n c y s y n t h e s i z e ra p p l i c a t i o n s t h i sp a p e ri sf o c u s e do naf a s t l o c k i n gp h a s e - l o c k e dl o o pw h i c hc a n g e n e r a t e8 0 0 l 删za n d6 4 0 删zr e f e r e n c ec l o c ku s e df o rc l o c kg e n e r a t o r m o d u l e i n 醐c ua n ds oo n f o rt h et r a d i t i o n a lc h a r g ep u m pp h a s e - l o c k e d l o o p ，t h e r ei sat r a d e o f fb e t w e e ns e t t l i n gt i m ea n do u t p u tp h a s en o i s e t om i n i m i z eo u t p u tp h a s ej i t t e r ，t h el o o pb a n d w i d t hs h o u l db em a d ea s n a r r o wa sp o s s i b l e h o w e v e r , t oo b t a i nb e t t e rt r a c k i n ga n da c q u i s i t i o n p r o p e r t i e s ，t h el o o pb a n d w i d t hs h o u l db em a d ea sw i d ea sp o s s i b l e t o a c h i e v eaf a s t l o c k i n gp l lw h i l em a i n t a i n i n gb e t t e rn o i s eb a n d w i d t h ，a d u a l s l o p ep h a s ef r e q u e n c yd e t e c t o ri so f t e nu s e d af a s tl o c k i n g p h a s e - l o c k e dl o o p sw i t hal o c kd e t e c t o rc i r c u i ti si n t r o d u c e d i ti s c o m p o s e do fap f df o rf i n e t u n i n ga n dal o c kd e t e c t o rf o rc o a r s e t u n i n g t h ep r o p o s e da r c h i t e c t u r ec a ne f f i c i e n t l yr e d u c et h ea c q u i s i t i o nt i m e o ft h ep l lw h i l et h el o o ps t a b i l i t yr e m a i n su n c h a n g e d t h ep r o p o s e dp l li sd e s i g n e di ns m i c0 1 8 u m 伽o st e c h n o l o g yt h r o u g h a3 3 vp o w e rs u p p l y a n dt h es i m u l a t o ri se 1 d o r fo fm e n t o rg r a p h i c s t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h es e t t l i n gt i m eo ft h ep r o p o s e dp l li s b e l o w1 2 u s t h es e t t l i n gt i m ei sl e s st h a nt h ec o n v e n t i o n a lp l l s t h e p o w e rc o n s u m p t i o ni s2 l 硼a t8 0 m m z i nt h i sp a p e r ，t h ep r i n c i p l e so fp h a s e l o c k e ds y s t e md e s c r i b e da n d s u m m a r i z e d ， a n d t h es t r u c t u r e so fs u b c i r c u i t sa r eo p t i m i z e d a t h r e e - s t a g e 伽sv o l t a g ec o n t r o l l e dr i n go s c i l l a t o rw i t hd i f f e r e n t i a l c o n t r o li sg i v e n t h et u n i n gr a n g ei sa b o u t5 6 0 姗zt o1 0 2 0 姗z t h ep h a s e 一种快速锁定电荷泵镄相环的设计 n o i s ei s 一1 0 1 2 d b c h za t1 姗z ，a n dt h ep o w e rc o n s u m p t i o ni s1 6 8 m w k e yw o r d s ：p h a s e - l o c k e dl o o p ，p h a s ef r e q u e n c yd e t e c t o r ，l o c k d e t e c t o r ，j i t t e r ，f a s tl o c k i n g i l l 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及取得的 研究成果。据我所知，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，也不包含为获得壹锯良嬲或其他教育机构 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谢意。 学位论文作者签名：郏石i 幻 签字日期：伽7 年午月乃日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解宦瓶大舅有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权宪钴蝻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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：鄯鼬 锄签名： 陲弱 签字日期：协口7 年牛月z 3 日 签字日期：伽d 7年午月2 ) 日 学位论文作者毕业去向： 工作单位： 电话： 通讯地址：邮编： 第一章绪论 1 1 锁相环的发展 第一章绪论 锁相环( p l l ) 在现代集成电路系统中是个十分重要的模块，它是自动频率控 制技术和自动相位控制技术的融合。3 0 年代初期出现在无线电技术中，1 9 3 0 年就 已建立了同步控制理论的基础。1 9 3 2 年贝尔塞什( b e l l e s c i z e ) 提出了同步检波 理论，第一次公开发表了锁相环路的数学描述，用锁相环路提取相干载波来完成 同步检波。早期的锁相环路采用电子管，且价格昂贵，只能用在实验装置中，未 得到广泛应用i l 】。 锁相环路p l l 的普遍应用是1 9 4 3 年从黑白电视机水平同步电路中开始的，它 可以减少噪声对同步的影响，使电视图像的同步性能得到很大的改善。1 9 5 4 年锁 相环又进一步用于彩色电视机的色同步信号提取，进入5 0 年代随着空间技术的 发展由杰费( j a f f e ) 和里希廷( r e c h t i n ) 利用锁相环路作为导弹信标的跟踪滤波 器获得成功，并首次发表了包含噪声效应的锁相环路线性理论分析的文章，同时 解决了锁相环路最佳化设计问题。一种最简单的遥测方式就是信标跟踪。卫星上 装一台低功率的连续波发射机地面接收到的信号频率，由于卫星的径向运动而产 生多普勒频移，测量出多普勒频移大小，就可以算出卫星的径向运动速度，从而 测定它的运行轨道。 六十年代以后，锁相技术就在通信、雷达、航天、航海、测量、仪表、计算 机、红外激光、原子能、电视立体声、马达控制以及工业、地质等技术部门获得 了广泛的应用。 由于锁相环路在电子技术各领域的广泛应用，使它逐渐成为电子设备中常用 的一种基本部件，为便于调整、降低成本和提高可靠性，使它在各种电子设备中 更好地发挥作用，迫切希望它能集成化、数字化、小型化和通用化。国外自六十 年代末第一个锁相环集成产品问世以来，十几年间发展极为迅速，产品种类繁多， 工艺日新月异。目前，除某些特殊用途的锁相环路外几乎全部集成化了，已生产 出数百个品种。国内虽然起步较晚，但在锁相环集成电路生产上也取得了可喜的 进展。锁相环集成电路由于性能优良、价格便宜、使用方便正被许多电子设备所 采用。 一种快速镇定电荷泵镜相环的设计 1 2 锁相环的应用 随着半导体工艺技术的发展，亚微米c m o s 工艺的出现，p l l 的性能不断提 高，应用范围也不断发展，在各种测量仪器，通讯设备中用于调制解调或同步电 路中，在光纤通讯中用于光传输接收器。集成锁相环电路在跟踪、滤波、调制解 调、频率合成、载波同步、位同步、刚立体声解码、电机调速稳速、锁相接收 机、相移器、频率变换、同步滤波、自动跟踪、调谐、微波锁等都有广泛应用。 锁相环也是高速微处理器不可缺少的部分，当c p i f i - 作频率高于兆h z 时，就需要 消除由于芯片内时钟驱动延时引起的内部时钟与外部时钟间的延时。嵌入在c p u 内部的p l l 可消除这个时钟延迟，另外，许多c p u 使用链的逻辑需要精度为5 0 的 占空时钟，需要一个2 倍于此的时钟源，+ 集成在c p u 芯片上的p l l 可以将外部时钟 合成此信号源。且从内部触发c p u 比用外部时钟要快，也是系统集成的一个优点。 此外，随着无线电事业和电子技术的发展，锁相环频率合成技术已被广泛地应用 于卫星透信、电视广播、雷达跳频、通信移动、通信抑制电网干扰、时钟同步、 遥感遥测等技术领域。 1 2 1 频率合成 频率合成是将一个高精确度和高稳定度的参考频率，经过混频、倍频与分频 等，对它进这行加、减、乘、除的四则运算，最终产生大量的具有同样精确度和 稳定度的频率源。 目前频率合成的基本方法主要有直接频率合成、锁相式频率合成、直接数字 式频率合成等几种。最早的合成方法被称为直接频率合成，它利用带通滤波器、 倍频器、分频器和混频器来完成对频率的四则运算。直接频率合成能实现快速频 率变换、几乎任意高的频率分辨力、低相位噪声以及很高的输出频率。但是直接 频率合成要比其它频率合成使用更多的硬件设备，因而体积大、造价高。 2 第一章绪论 图1 一l 频翠合成器 f i g 1 1f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r 在许多应用系统中，系统往往需要不同频率的时钟信号，且这个信号能按照 非常精细的步长变化，这通常是在无线收发器中遇到，系统中往往要产生高频本 振时钟信号，这可以通过锁相环将外部提供的低频参考时钟倍频来实现。锁相环 频率合成器的基本结构如图( 1 - 1 ) 所示【2 】。输入的参考频率一般来自于高稳定的 石英晶体振荡器，因而可以得到高精度的输出频率。锁相环中的分频比控制用可 编程分频器来实现，这就可以按增量f r e f 来改变输出频率。从而实现输出时钟频 率( f o u t ) 是输入参考频率( f r e f ) 的m 倍。然而，这与较短的锁定时间之间是矛 盾的。性能优良的锁相环，其锁定时间一般在1 0 到2 0 个周期之间【3 】，所以分辨 力与锁定时间成反比。为了获得高频率分辨力，参考频率f r e f 要低。但是，为了 减小环路的暂态时间以及过滤v c o 的噪声都需要f r e f 大，这两者是矛盾的。为 解决高频率分辨力与快速转换频率之间的矛盾，可采用多环频率合成或小数分频 等多种方法。 1 2 2 时钟恢复 在通讯系统中，锁相环可以根据输入信号来产生输出时钟信号并恢复数据， 这种锁相环应用一般称为时钟恢复电路或位同步电路。当数据流在传输时，并没 有附带时钟，但是很多的接受器对数据进行处理时需要一个同步的时钟对电路进 行控制，这就需要一个时钟恢复电路从传输的数据中恢复出基准时钟【4 】，对输入 的数据流进行定时处理。此外，在数据通讯中，由于干扰和噪声，发出或接收到 的数据的周期经常会随机地发生变化，一般称这种周期的变化为抖动。这种时钟 的抖动是数字系统所不希望的，因为它可能会造成电路的误动作，从而导致系统 功能失效。为了减小由于信号间的干扰和电源噪声引起的时钟抖动，可以用锁相 3 制仓 一种快速锁定电荷泵锁相环的设计 环构成的时钟恢复电路来对数据进行再生。当输入数据波形通过d 触发器被时 钟恢复电路的上升沿采样时数据就被再生。这种方法非常有效而且可靠性很高， 锁相环时钟恢复电路可以抑制伴随数据的大部分噪声，得到低抖动的时钟。而且 由于使用上升沿采样，即使当数据的过零点偏离它的理想值半个时钟周期，也可 以得到正确的输出，从而对数据相位抖动有很大的裕度。 锁相环是现代化无线电通信设备的关键技术。它所合成的频率的稳定度、准 确性及频谱质量( 相位噪声、杂散) 将直接影响通信的质量。随着通信、雷达、 导航、遥控遥测、电子测量等技术的发展，人们对p l l 的频率稳定度、精确度、 频率范围以及波导数目，提出了越来越高的要求，要满足现代电子技术的这些要 求，就必须使p l l 具有性能指标高，体积小、价低等优点。现在的p l l 芯片向着频 率高、频带宽、集成度大、功耗低、价格低廉、功能强大等方向发展，同时，国 际市场对p l l 的需求也是逐年增长。 1 3 论文组织 本文的第一章是绪论，介绍了锁相环的发展和应用。第二章介绍锁相环频率 合成器的原理及环路滤波器的设计方法。第三章介绍了锁相环频率合成器各部分 的电路结构，包括数字电路部分的分频器和鉴频鉴相器，模拟电路部分的压控振 荡器、电荷泵、低通滤波器以及本文所使用的快速锁定的方法。第四章给出了电 路的仿真图形及版图设计。第五章是总结。 4 第二章电荷泵锁相环 第二章电荷泵锁相环原理 采用模拟乘法器的传统模拟锁相环和采用异或门鉴相器或触发器鉴相器 的混合信号锁相环的捕获范围非常有限，远远不能满足现代通信系统的发展需 要。鉴频鉴相器不仅可以检测相位，还可以检测频率，这称为辅助捕获。采用鉴 频鉴相器的电荷泵锁相环先通过比较口k 和埘k 产生一个与翻k 一口 吡成正比的控 制电压控制压控振荡器，使压控振荡器的频率向着使一减小的方向变化， 当一。足够小时，鉴频鉴相器才开始进行相位比较。在电荷泵锁相环中，鉴 频鉴相器与电荷泵相结合理论上能够产生无限的直流增益和无穷大的捕获范围， 与传统锁相环相比，电荷泵锁相环的捕获带大，仅由v c o 的频率可变范围决定， 捕获时间短，线性范围大，稳定性高，功耗小，具有非常广泛的应用。 2 1 电荷泵锁相环的基本组成 图2 - 1 电荷泵锁相环的结构图 f i g 2 - 1d i a g r a mo fc p l l 如图2 1 所示是电荷泵锁相环的基本组成框图明，包括鉴频鉴相器、电荷泵、 低通滤波器、压控振荡器。鉴频鉴相器比较输入信号和输出信号的相位与频率差， 并且产生控制信号u p 和d i l 给电荷泵，电荷泵相应地给低通滤波器充放电，低通滤 波器输出的控制电压控制振荡器的输出频率，该控制电压与鉴相误差成正比，使 压控振荡器的频率向鉴相误差减小的方向变化，直到鉴相误差为零，此时锁相环 进入锁定状态。 一种快速锁定电荷泵锁相环的设计 2 2 鉴频鉴相器( p f d ) 鉴频鉴相器是相位及频率比较装置，比较参考信号i l i 和压控振荡器输出信 号c om 的频率和相位并产生对应于两信号差的误差信号，经过电荷泵转化为电流 信号后，对环路滤波器的电容进行充放电。 p f d 既能检测相位差又可检查频率差，如果j 。远离。时，鉴频鉴相器改 变控制电压，使( - ) m 逼近d i n ，当mo i 吐和。b 足够接近时，p f d 就当做鉴相器，进 行相位锁定。 图2 - 2 是鉴频鉴相器的原理图，由图可见鉴频鉴相器有三个工作状态： q 。q v = 0 0 ；q r q v = 0 1 ；q r q v = 1 0 。开始时，q r q v = 0 0 ，当r 上升会使 q 。= 1 ，q ，= 0 电路将保持这个状态一直保持到v 变为高电平，此时q 。将变 为o 。 v r ：b ： 靠以 r 厂 厂 厂 厂 v厂 厂 几厂 q r 几几几几 q r 厂 厂 厂 厂 v 厂 厂 厂 q 。几r 厂 厂一 ( b ) t 图2 - 2 鉴频鉴相器的原理图 f i g 2 - 2d i a g r a mo fp f dw o r kp r i n c i p l e 图2 - 2 的电路实现形式有许多种，图2 - 3 是一种简单的实现形式，由两个 边沿触发、带复位的d 触发器构成，它们的数据输入端连接到逻辑i 上。输 入的r ，v 作为触发器时钟信号。设复位后的初始状态为q 。r ，= 0 0 ，在r 的 上升沿时，q 。变为i ，并保持为1 ，q ，保持为0 ，直到v 的上升沿到来，q 。 变为l ，输出变为q 。r 。= 1 1 ，通过与门使两个触发器复位，回到初始状态 6 第二章电荷泵锁相环 q 。r ，= 0 0 。可以看到，只有一个短暂的时间( 与门和触发器的时延) 使两个d 触发器同时置i ，因此电路不可能在q 。r ，= i i 状态停留。另一方面，q 。和 q 。有一段时间同时为高，但是它们的平均值仍然正确地代表了输入频率与相位 的差值。 将p f d 输出脉冲q 。、q 。的宽度转变为平均电压的方法有两种，一是将 q 。、q 。输出脉冲先经过低通滤波器再进行差值比较，另一种方法，也是最为 普遍的方法是在p f d 和环路滤波器之间插入一个电荷泵 6 1 。 2 3 电荷泵( c p ) r 几n 几几 vr 厂 几r q r n0n0 q -iili t 图2 - 3p f d 电路的实现 f i g 2 3i m p l e m e n to fp f d 电荷泵可以看作是一个开关控制的电流源，如图2 4 所示的电荷泵由两个带 开关的电流源组成。电荷泵的作用是将p f d 检测到的相位差或者频率差转换为 一定量的电流，对环路滤波器的电容进行充放电操作，使压控振荡器的输入控制 电压p 0 发生变化，从而改变振荡器的振荡频率。 对应p f d 的三个状态，电荷泵也有三个状态。如果q 。= q 。= 0 ，那么开 关墨和是都断开，保持不变。如果q 。为高，而q ，为低，则，对c ，充电。 相反，若q 。为低，而q ，为高，则c ，通过，放电忉。 7 一种快速锁定电荷泵锁相环的设计 r v 图2 - 4p f d 与电荷泵结构 f i g 2 - 4p f dw i t hc p 采用鉴频鉴相器与电荷泵组合的一个特点是：如果r 的相位超前v ，则q 。 一直为正脉冲，不断使对c ，充电，结果可能使p 0 趋于一。反之，脉冲q 。引 起的放电会使p 乙趋于一一。由此可以推出：由于控制电压可以达到足够大，采 用鉴频鉴相器和电荷泵组合的锁相环的捕捉带仅由v c o 的可变频率范围决定。 2 4 电荷泵锁相环的线性模型 锁相环系统实际上是一个非线性系统。但是，当锁相环的环路带宽为鉴相 器的比较频率的i 1 0 _ 1 2 0 时，可以近似的认为锁相环系统为一个连续的线性系 统嘲，这样可以使用强大的线性系统分析工具传输函数来分析该系统的工 作。为了定量分析电荷泵锁相环环路的特点，我们必须给p f d c p l p f 组成的整 体建立一个线性模型，从而得到其传输函数。我们将鉴频鉴相器的输入相位差变 为原来的两倍，然后观察l p f 的输出圪是否也准确的变为原来的两倍。从图2 5 ( a ) 可以看出来圪的平坦部门变成了两倍，但斜坡部分斜率不变。这是因为对c p 充放电的电流是恒定的，导致了斜坡的斜率是一个常数。所以，严格地讲，系统 不是线性的。为了便于分析，用一个斜坡来近似输出波形4 1 6 ( b ) ，使圪与之 间成为线性关系。 8 第二章电荷泵锁相环 r 田厂 厂 厂 v l 厂 厂 厂 厂 西 v c ( a ) r 阳厂 厂 厂 v 1 n 厂 厂 广 v c ( b ) 图2 _ 5 ( a ) p f d c p l p f 系统的线性度测试 f i g 2 - 5 ( a ) l i n e a r i t ya n a l y s i so fp f i ) c p l p fs y s t e m ( b ) p f d c p l p f 系统输出响应的斜坡近似 ( b ) s l o p ea p p r o x i m a t e l yo f 啪c p l p fs y s t e mo u t p u tr e s p o n s e 假定输入信号周期为瓦，电荷泵对q 的充放电电流为。开始的相位差 为零，在踟时，r 的相位阶跃了九，即妒= 九“( ，) ，则p f d 在q 。端产生宽 度为九( 2 石) 秒的脉冲，每个周期使输出电压增加( c p ) 九死( 2 x ) 。用斜坡 近似，则k 表现出的斜率为( ，c ，) o ( 2 石) ，并可表示为 圪= 去咖 产生的传输函数为 和= 刍三 这就是p f d c p l p f 组合系统的数学模型，系统在原点有一极点。 因为圪( s ) = l l ( c p s ) ，所以我们得到到电流l 的传输函数 9 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) 一种快速锁定电荷泵镄相环的设计 量( s 1 ：一l p 击、72 石 式( 2 3 ) 可以认为是p f d c p 组合的鉴相灵敏度。 电荷泵锁相环的线性模型如图2 - 6 所示，模型给出的开环传输函数为 p f d c p l p f 广一一一一一1 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 图2 - 6 简单电荷泵锁相环线性模型 f i g 2 - f il i n e a rm o d e lo fas i m p l ep l l 闭环传输函数为： i 善。 耶) 2 ：诬2 m ：t p 2 戤 从开环传输函数知道，系统在原点处有两个极点，这种结构被称为型锁相 环。相当于包含两个理想积分器，每个积分器产生恒定9 0 0 的相移，使系统在增 益交点频率下发生振荡，如图2 - 7 ( a ) 所示。为了使系统稳定，必须修改系统的 相位特性，使得在增益交点处的相位偏移小于1 8 0 0 。改进的方法是将一个电阻r 与c 串联，引入一个零点，如图2 7 ( c ) 所示。 1 0 鱼， 土码 垆 2 0 1 0 s 阻 o ( a ) ( b ) 图2 - 7 ( a ) 简单电荷泵锁相环的环路增益特性 ( b ) 加入一个零点之后的环路增益特性 f i g 2 - 7 ( a ) c h a r a c t e r i s t i co ft h el o o pg a i nf o rs i m p l ec p p l l ( b ) c h a r a c t e r i s t i co ft h el o o pg a i na f t e ra d do n e z e r o v 加 图2 7 ( c ) 加入一个零点的简单二阶c p p l l 电路结构 f i g 2 - 7 ( c ) s c h e m a t i co f t h ec p p l la f t e ra d do n e z e r o 引入零点后，对应的p f d c p l p f 组合系统的传输函数为： 铷= 扣+ 由 锁相环开环传输函数等于 鲁= 去c 蜀+ 扫等 闭环传输函数等于 一种快速锁定电荷泵锁相环的设计 其中 i p k 一( r l c l j + 1 ) 州垆曩鑫 彩。2 + 2 9 c e 。j 吼= j 2 + 2 和s + 国月2 2 5 二阶无源滤波器的设计 ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) 引入一个零点的电荷泵锁相环有一个严重的缺点。因为电荷泵驱动的是马 和c 1 的串联组合，所以每次向环路滤波器注入电流时，控制电压都会经历一个 大的跳动。即使是在锁定的条件下，和l 之间的不匹配以及墨和岛的电荷注 入和时钟馈通，都会使控制电压跳动。为了缓解这个问题，通常引入第二个电容 c 2 ，它与马和c 1 并联【9 】。如图2 8 所示，由于电容g 两端电压不能突变，所以 抑制了控制电压的跳动。一般取c 2 为c , i o 多j c , 5 。 工， v c 图2 - 8 二阶无源低通滤波器结构 f i g 2 - 8t w oo r d e rl o wp a s sf i l t e rc i r c u i t 这样，滤波器就变成二阶的，从而该c p p l l 成为一个三阶锁相环。输入低通 第二章电荷泵镄相环 滤波器的电流为电荷泵充放电电流l ，低通滤波器的输出为压控振荡器的控制 邵，：警11 ：赫 1 s c , s g 。= 蜀雨c 1 c 2 = - q 1 2 ) 啪) = 俐粤2 编。丽l + s t , 由( 2 1 3 ) 司以看出锁相环的相位裕度为： 丸( 功= 石+ t a n 一( c o t ：) 一t a n 一( c o t ，) ( 2 - 1 4 ) 求相位裕度对的微分，并令! 鍪= 0 ，可求出对应最大相位裕度的频率吐。 口国 熊d c o 矗1 ( c o 育一焉1 务2 。 + f ：) 2+ ( f 。) 2 毒吐：；( 2 1 5 ) 毒吐2 万霉 如图2 9 所示，皱称为环路带宽，它等于锁相环的开环频率响应的截止频 率，认为眈满足： 吐 图3 - 1 6 不同退化电阻时的调谐曲线 f i g 3 - 1 6 v c 0t u n i n gc u r v ew i t hd i f f e r e n tr e s i s t o r 当y 乙为0 时，振荡器的振荡频率为零，这样不利于锁相环的快速锁定，因 为v c o 要从频率为零时开始起振，增加了锬定时阅，故在m i 的边上并联了一个 n m o s 管m 2 ，使得m 1 关断时，m 3 依然有电流通过，加入m 2 的另一个作用是可 以减j 、m 1 对振荡频率的控制能力，即减小了压控振荡器的增益置。，对于锁相 环来说，在频率调谐范围允许的情况下，如不宜过大，因为足。较大时，p 瑚上 面较小的扰动就会使v c 0 的输出频率产生较大的波动，这样会增加输出频率的抖 动( j i t t e r ) ，影响锁相环的整体性能。图3 1 7 所示是抛取不同宽长比时对 应的调谐曲线。 第三章电荷泵锁相环的电路设计 图3 _ 1 7 不同比宽长比时的调谐曲线 f i g 3 - 1 7t h et u n e dc u r v ew i t ht h ed i f f e r e n tw l r a t i oo fm 2 3 3 5 输出缓冲电路 在v c o 的后级加入输出缓冲电路将差分的双端输出转换到单端输出结构，并 隔离负载对v c o 的影响。如图3 1 8 所示的是v c o 的输出缓冲电路图，包含 了差分输入放大级和两级缓冲反相器组成。差分输入放大级将两个输入进行比较 和判断，缓冲反相器把判断得到的信号放大并输出一个数字信号。 = 图3 - 1 8v c o 的输出缓冲电路 f i g 3 - 1 8 b u f f e rc i r c u i to fv c o 3 l 1 i o o o o o o o o o o o o o 嚣j匀如 一种快速锁定电荷象锁相环的设计 3 4 分频器的设计 分频器是锁相环中的重要单元，它的基本功能是把输入时钟的频率变为n 分之一的另一频率时钟输出( n 称为分频器的模) ，当环路中加入分频器后可以 实现对输入信号的倍频作用。当分频器的分频比可变，即可编程控制时，就可以 实现频率合成，提供多个高稳定性的输出频率。 分频器最常见的构成方式有三种： 1 、由触发器构成的分频器，属于数字分频器。将一个d 触发器的反相输 出连接到输入d 端就可以构成模二分频器。图3 - 1 9 所示是一个上升延 触发的d 触发器构成的分频器。 d 旺 鼍r 厂 厂 厂 ! 厂 广 图3 1 9 由d 触发器构成的分频器及其波形 f i g 3 一1 9d i v i d e b y t w oc i r c u i ta n dw a v e f o r m 2 、再生分频器，属于模拟分频器，通过在反馈回路中使用一个混频器和 一个低通滤波器，输入和输出混频产生厶0 的频率分量a 通过低通 滤波器抑制高频分量，得到厶一厶= ，0 ，即删= 厶2 。再生分频器 可以工作在很高的频率上，但结构较复杂，且引入较大的相位噪声。 图3 2 0 再生分频器 f i g 3 - 2 0 m i l l e rd i v i d e r 3 、注入锁定分频器洲( i n j e c t e d - l o c k e d ) 。注锁式分频器要使用电感，面 积过大且工艺难度高，很少被广泛使用。 第三章电荷泵镄相环的电路设计 3 4 1d 触发器构成的二分频器 由触发器构成的分频器结构简单，性能好，应用广泛，本文就是采用这种结 构。d 触发器根据工作的方式的不同可分为静态d 触发器和动态d 触发器。对于工 作在较高的频率下，设计的分频器不能使用传统的静态d 触发器，一般的是使用 源极祸合( s c l ) 静态d 触发器或者是动态的真单相时钟( t s p c ) d 触发器。 图3 - 2 1 主从d 触发器结构 f i g 3 - 3 1s t r u c t u r eo f t h em a t e r - s l a v ed f f 如图3 - 2 1 所示是s c l 主从d 触发器由两级d 锁存器构成。当c k 时钟为高电平 时，主锁存器( m a s t e rl a t c h ) 为跟踪模式，从锁存器( s l a v el a t c h ) 为锁定模式 ( l a t c hm o d e ) 。这样输入信号d 直接传输到从锁存器，但是从锁存器仍然输出上 一次的旧信号。当c k 时钟转为低电平时，主锁存器( m a s t e r l a t c h ) 为锁定模式 ( l a t c hm o d e ) ，从锁存器( s l a v el a t c h ) 为跟踪模式( t r a c km o d e ) 。主锁存器 仍然锁定在上一次的信号上，并将这上一次信号传输给从锁存器。由从锁存器输 出上一次的信号。d 锁存器和d 主从触发器的不同之处是：d 锁存器随着输入电 平的变化而翻转，d 主从触发器则只随着上升沿的出现而翻转。 s c l 主从d 触发器是一种低摆幅的电流导引逻辑结构，由2 个d - l a t c h 组 成。图3 2 2 为基于s c l 结构的d 锁存器( l a t c h ) 电路。当c l k + 为高电平时， 电路工作在跟踪模式( t r a c km o d e ) 。m n 5 开启使差分对开启；m n 6 关闭使锁存 对关闭。从m s 7 流出的尾电流全部从差分对这一侧流过。这样根据输入信号v i 。 的变化，输出端节点会在跟踪模式下跟随输入信号v i 。相应地变化。当时钟c l k + 转为低电平时，整个锁存器工作在锁定模式( 1 a t c hm o d e ) 。锁存对开始工作，锁 存对的正反馈结构会保持v 0 。的输出电压，此时的输出电平与输入信号v m 无关。 一种快速锁定电荷泵锁相环的设计 图3 2 2s c l 结构锁存器电路 f i g 3 - 2 2s c h e m a t i co ft h es c ldl a t c hc i r c u i t s c l 结构的d 触发器连同尾电流源和负载共需要1 8 个m o s 管，用于保存数 据的正反馈连接的晶体管的w l 不能太小，需使电压增益大于1 【2 5 】。同时，由于三 层管子的层叠，输出摆幅受到限制，所以，一般输出需要加缓冲器，故基于s c l 结构的二分频器占用的面积较大。而基于y u a n - s v e n s s o n 的t s p c 结构的d 触发 器伫叼只需要九个管子，且功耗很低。 图3 - 2 3 ( a ) 所示的是一个真单相时钟上升沿d 触发器电路图，电路由九个 晶体管构成，分为三级。第一级为p 型钟控c m o s ( p c 2 m o s ) ，第二级为p 型 预充c m o s ，第三级为n 型钟控c m o s ( n c 2 m o s ) 。当时钟信号为低电平时， 第一级作为一个开启的锁存器接收输入信号，此时，第二级的输出节点b 被充电 到高电平，第三级保持原来的输出状态。当时钟信号由低电平转变到高电平时， 第一级关闭，第二级开始定值，第三级变为开启。此时若a 点为高电平，则b 点 电位被下拉到低电平，输出高电平；若a 点为低电平，则b 点保持高电平，输出 为低电平。 第三章电荷泵锁相环的电路设计 d c k 图3 - 2 3 ( a ) 真单相时钟d 触发器 c b ) 单相时钟分频器 f i g 3 - 2 3 ( a ) s c h e m a t i co ft h et s p cd y n a m i cd - f l i p - f l o p ( b ) s c h e m a t i co ft h et s p cd y n a m i cf r e q u e n c yd i v i d e r 3 4 2 双模的分频器设计 本文要设计分频器实现两个分频比，即3 2 分频和4 0 分频。分频比的选择由控 制信号进行控制。输入频率为2 0 唧z ，这样就可以实现6 4 0 m h z 和8 0 0 - i z 两个频率 的时钟信号，如果需要实现更多的频率点，可以加入一个吞脉冲计数器。本文的 分频器实现的框图如图3 2 4 所示。先由一个二分频器实现二分频，再通过一个 4 5 分频器实现双模控制，最后通过两个二分频器，最终实现3 2 分频和4 0 分频两 个分频比。 图3 - 2 4 分频器框图 f i g 3 - 2 4d i a g r a mo fd i v i d e r 图3 2 5 所示是同步4 5 分频器逻辑图，由三个d 触发器和两个与门构成鲫， 当m c 为0 时，输出频率4 分频，当m c 为1 时，输出为5 分频，通过m c 可以对分频比进 行控制。图3 2 6 所示是4 5 分频器晶体管级电路，电路中的与逻辑关系通过两 个并联的p m o s 管就可以实现了，这样就将与门整合到d 触发器内，使其成为一个 逻辑d 触发器。这节省了芯片面积且避免了与门对4 5 双模分频器速度的影响。 一种快速锁定电荷泵锁相环的设计 图3 - 2 54 5 分频器逻辑图 f i g 3 - 2 5l o g i cd i a g r a mo fd i v i d eb y4 5c o u n t e r 图3 - 2 64 5 分频器电路图 f i g 3 - 2 6c i r c u i td i a g r a mo ft h ed i v i d eb y4 5c o u n t e r 3 5 快速锁定锁相环设计 传统的c p p l l 的环路带宽吐的选择需要在锁定时间和输出相位噪声之间 进行折衷，为了最小化输出噪声抖动，锁相环的环路带宽应当尽可能小，但减小 环路带宽会增加锁定时间，为了获得最好的跟踪和捕获特性，环路带宽应尽可能 的大。为了得到快速锁定的锁相环同时满足好的噪声性能，可以采用了双斜率鉴 频鉴相器( d u a l - s l o p ep h a s e 丘e q u e n c yd e t e c t o r ) ，它包含一个用于细调的p f d 和一 个用于粗调的锁定检测器( 1 0 c kd e t e c t o r ) 1 2 叼。 本文分析的是型，三阶锁相环，它的环路带宽以为： 蚪觎= 等( 矗 p ， 根据式( 3 9 ) 口- f 知，在其他参数确定的时候，环路带宽c o c 是和充电电流，。成 正比的。当环路在失锁状态时，p f d 的两个输入相差较大，更多的电流将被注入 第三章电荷泵锁相环的电路设计 到环蹯德坡器，这样就导致了环路带宽增大，从而锁定时间减小。 锁相环的相位裕度由式( 3 1 4 ) 确定，表达为： 疙( 功= z r + t a n - 1 ( 口f ；) 一t a n _ 1 ( 缈f 。) 其中： 巳= r c l f ，= 蜀量c , + 生c 2 为了保证环路的稳定性，相位裕度应保持不变，由于环路带宽吐的增大， 时间常数f ：和。应减小。如果环路滤波器中的电阻变为蜀k ，并且电荷泵的电 流变为七2 ，则环路带宽将变为i 纹，而相位裕度保持不变嘲。 图3 _ 2 7 快速锁定锁相环结构图 f i g u r e3 2 7b l o c kd i a g r a mo ft h ef a s tl o c k i n gp l l 2 本文采用的锁相环结构如图3 - 2 7 所示，圪用来控制v c o 振荡频率的控制电 压，它是由粗调的电流源和细调的电流源共同产生的，粗调的电流源的大小为 ( 七2 一1 ) ，细调电流源的大小为。两个电流源自动地控制锁相环的带宽，在 保证稳定的同时，减小了锁定时问。当环路处在失锁状态时，锁定检测器输出高 电平，粗调电流源被接入电路，此时电荷泵的冲放电电流为k 2 ，电阻r 。被 一种快速镇定电荷泵锁相环的设计 并入电阻蜀中，从而使且。减小到r 。k 。此时环路带宽为k m c ，电路的锁定速度 加快。输入的参考频率和分频器的输出的信号频率厶，频率逐渐相等，相位 逐渐减小，当相位减小到m 。时，锁定检测器输出低电平，断开粗调电流源和r 。 的控制开关。从而减小环路带宽到红，稳定了输出电压。 锁定检测器电路如图3 - 2 8 所示，它由两个延时单元和两个d 触发器构成。 当p 0 比p k 领先或落后r 秒，l e a d 的输出为高电平；否则l e a d 的输出为低电平。 两个延时单元的延迟时间分别为t 和2 t ，它们是由数个反相器构成。d 触发器由图 3 - 2 3 所示的真单相时钟d 触发器构成