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电荷泵锁相环的后端设计 摘要 由于在电子系统中的广泛应用，锁相环已从最初仅为线性模拟锁相环发展到目前 以数字锁相环为主。电荷泵锁相环( c p p l l ) 以其锁定相差小和捕获范围大的优点成 为当前数字锁相环产品的主流。 以数模混合为特点的c p p l l 设计更为复杂和困难，本文深入分析了c p p l l 的构成 原理及其电路实现，并给出数模混合的版图设计及一套完整的模拟电路后仿真方案。 主要工作有： 详细讨论构成电荷泵锁相环各部件的工作原理和电路结构。 研究s m i c o 1 8 工艺下的c p p l l 版图设计方法，主要包括对数字和模拟模块的 版图布局，模拟电路抗噪声设计及减小器件失配度的对称性设计研究等。 摸索出适用于数模混合电路的具体的后仿真流程，包括寄生参数提取的方法， 相关软件的接口问题，以及对电路的调试。 集成电路制造工艺水平和设计水平发展到今天，人们已经将原先的板级系统集成 在一个芯片上，系统芯片( s y s t e m o n c h i p ，简称s o c ) 逐渐成为集成电路设计的主流发展 趋势。这样不仅可以提高整个系统的性能，很好地解决板级系统固有的噪声问题，连 线延时所带来的速度问题，也将这个系统的成本大大降低。因此很多模拟电路如上电 复位电路，模拟数字转换电路( a n a l o g t o d i g i t a lc o n v e r t e r ，简称a d c ) ，锁相环 ( p h a s e l o c k e d l o o p ，以下简称p l l ) 电路等也被集成在芯片中，成为大规模集成电 路尤其是系统芯片中不可缺少的一部分。采用大规模数字集成电路通常采用的c m o s 工艺设计模拟电路成为模拟集成电路设计的重要研究方向之一。 关键词：锁相环版图寄生参数后仿真 t h ep o s t d e s i g no f c p p l l a b s t r a c t p l l ( p h a s e l o c k e dl o o p ) h a sd e v e l o p e df r o mo r i g i n a ll i n e a rp l lt on o ww i d e l y u s e dd i g i t a lp l l ，f o rt h e i re v e r - i n c r e a s i n g u s a g e i ne l e c t r o n i cs y s t e m b e c a u s eo f t h es m a l l p h a s e 。l o c k e de r r o ra n db i gc a p t u r es c a l e ，c h a r g e p u m pp l l ( c p p l l ) h a sb e e no n eo f m a j o rd i g i t a lp l lp r o d u c t s h o w e v e r ，b e c a u s ec p p l l i sam i x e d s i g n a ls y s t e m ，t h er & db e c o m e sm o r e d i m c u l tt h a nl p l l t h ec o n s t r u c t e d p r i n c i p l e a n dc i r c u i tr e a l i z a t i o no fc p p l la r e a n a l y z e d i nt h i st h e s i s t h em i x e ds i g n a l l a y o u td e s i g na n dac o m p l e t ep o s tl a y o u t v e r i f i c a t i o no fa n a l o gi cw e r ea l s op r o p o s e d t h r e em a j o rw o r k sa r ec a r r i e do u ti nt h i s w o r k ： t h e w o r k i n gp r i n c i p l ea n dc i r c u i ts t r u c t u r eo fc p p l lc o m p o n e n t sa r ed i s c u s s e di n d e t a i l t h e d e s i g nm e t h o dw i t hs m i c 0 18f o rc p p l l l a y o u ti n c l u d i n gt h ep l a c e o fd i g i t a la n da n a l o gm o d u l e ，t h ed e a lw i t ht h en o i s eo fa n a l o gc i r c u i t sa n dt h e s y m m e t r yd e s i g nu s e dt o m a t c hc o m p o n e n t si ss t u d i e d t h ep o s tl a y o u tv e r i f i c a t i o nf l o w a p p l i e dt ob o t hd i g i t a la n da n a l o gc i r c u i t sw a s p r o p o s e d ，w h i c hs o l v e di n c l u d el a y o u tp a r a s i t i ce x t r a c t , r e l a t e ds o f t w a r ei n t e r f a c ea n d d e b u g g i n g o fc i r c u i t a st h ed e v e l o p i n go fi cd e s i g na n dm a n u f a c t u r ep r o c e s s ，t h eb o a r dl e v e ls y s t e mi s i n t e g r a t e di n t oac h i p s y s t e m o n c h i p ( s o c ) i sb e c o m i n gt h ep r i m a r yt r e n d s o cn o to n l y p r o m o t e st h es y s t e mp e r f o r m a n c e ，b u ta l s or e s o l v e st h ep r o b l e m so fn o i s ei nb o a r da n d s p e e db e c a u s eo f l i n ed e l a y f u r t h e r n l o r e ，t h ec o s to f s y s t e m i sd e c r e a s eg r e a t l y s oal o to f a n a l o g c i r c u i t ss u c ha s p o w e r o n ，a n a l o g t o d i g i t a lc o n v e r t e r ( h d c ) ，a n dp l la r e i n t e g r a t e d i n c h i p a so n en e c e s s a r y p a r t o fl a r g es c a l e i n t e g r a t e d c i r c u i t o n eo ft h e i m p o r t a n tr & da s p e c ti st op e r f o r mt h ed e s i g no fa n a l o gw i t hc m o si n t e g r a t e dc i r c u i t s p r o c e s sw h i c h i sa l w a y su s e dt od e v e l o p l a r g es c a l el o g i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s k e y w o r d s ：p l l l a y o u t p a r a s i t i cp o s t l a y o u tv e r i f i c a t i o n 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志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得金胆互些盘堂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。 学位论文作者签字：昊钐鞭会签字日期：劬争年，月j7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒月b 王些太堂有关保留、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，允许论文被查阅或借阅。本人授权盒 蟹工些盔堂可咀将学位论文的全部或部分论文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) 学位论文者签名：装铃铃 导师签名 签字日期：2 嘶年5 月引e t 签字日期：c j c 绎月；1 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 致谢 在这里我深深地感谢我的导师张崇巍老师、微电子所高明伦老师、和潘剑 宏老师三位恩师的厚爱，是您们赐予我进入集成电路设计这一领域学习和研究 的宝贵机会。老师在学习、研究和实践中不断地教悔和勉励以及三年来生活在 老师周围的欢乐时光，让学生此生难忘，学生将铭记终生。 感谢师兄周干明在集成电路设计流程的学习和实践中给予地真诚指导。感 谢刘聪老师及邓红辉老师在模拟电路设计的学习阶段给予地无私帮助。感谢王 小蕾老师、曹华锋和谢青等工程师给予我在2 8 7 项目中的技术指导，并得到了 对集成电路的后端设计由理论转向实践的认识。 感谢该项目组长许诺及同事张红莉、高工李苏宁在锁相环项目中给予地模 拟集成电路设计技术和经验的无私提点。并对许诺后来在繁忙中仍之于论文悉 心修改深表感谢。特别感谢王锐老师在论文最后定稿时提出的宝贵建议。 感谢李伟、胡剑、杨羽、周萌等网络工程师对于e d a 软件及系统的维护和 管理，是他们的努力给予我研究和实践中极大的便利。 感谢林薇、杜艳英的帮助。 感谢梅子、慧君等同学及微电子所全体同仁给与的轻松而热烈的学术氛围。 特别感谢我的父母和我的先生，在生活和工作上给予无私的关心和支持。 作者：吴铃铃 2 0 0 4 年5 月 于工大微电子所 第一章绪论 1 1 集成电路的发展概况 自从1 9 5 9 年世界上第一块集成电路诞生以来，集成电路技术一直以惊人 的速度发展着。第一块集成电路上仅有4 只晶体管，而当今的集成电路可以在 一片硅片上集成几千万甚至上亿只晶体管。由于设计技术的进步及市场应用的 需要，模拟电路也越来越多地被集成在芯片中，使用数以万计元件的模拟和数 模混合集成电路设计的消费产品现已不足为奇。与分立元件的构造相比，模 拟集成电路的优点显而易见：性能更加稳定，功能更广，能耗已大为降低，面 积和成本等开支也大大减小。目前集成电路的工艺已经发展到深亚微米阶段， 特征线宽可缩小到0 1 3 微米，甚至更低，而模拟集成电路设计的发展势必也 要像数字电路那样顺应不断革新的工艺及日趋复杂的性能要求。 但由于器件尺寸的缩减和电源电压的下降，以及同一芯片上的数模混合设 计技术的不完善，模拟电路的设计正面临很多问题，诸如：模拟设计涉及到在 速度、功耗、增益、精度、电源电压等多种因素间进行折衷，而数字电路基本 上只需在速度和功耗间折衷，模拟信号处理过程中要求速度和精度的同时，对 噪声、串扰和其它干扰比数字电路要敏感得多，器件的二级效应对模拟电路性 能的影响比对数字电路性能的影响也要严重得多，模拟电路许多效应的建模和 仿真仍然存在困难。 1 2 模拟集成电路设计方法 模拟集成电路设计流程如图卜l 所示，其主要阶段有： 1 确定设计要求 2 电路设计 3 电路仿真 4 版图设计 5 带寄生参数的后仿真 设计开始的最主要任务是明确设计要求和进行电路结构设计，然后用电路 仿真的方法评估电路的性能，一旦电路设计的仿真结果满足设计要求就要进行 另一个主要设计工作一一电路的版图设计，版图设计一般采用全定制的方法， 在不同层版图上( z 方向) 作出许多矩形或多边形( 在x y 平面上) 的图形数 据作为最终制造的掩模层，这些图形和电路的电性能有密切的关系，它们不但 能反映原来的电路性能，有时甚至产生电路设计中没有的负面寄生效应，从而 改变原来的电路设计要求，因而版图完成后需要再次进行带寄生参数的后仿真 这一步是非常重要的! 如果不能满足要求，如图卜1 所示还要重新修改电路设 计。尤其在当今工艺尺寸已大为减小，各种互连影响大大增加时，各种由版图 的布局或连线产生的寄生电容或电阻值等已不容忽视，甚至成为影响电路性能 的重要因素，而这种寄生效应在电路设计级是很难考虑进去的，因此电路的版 图卜l 模拟集成电路设计流程 图设计及其后仿真的完成与否在模拟集成电路的设计流程中成为至关重要的阶 段。但现在后仿真方法远不如版前( p r e l a y o u t ) 的电路仿真那样成熟，还没 有能够通行一般的流程。 1 3 锁相环的发展应用 锁相环是模拟及数模混合电路中的基本且非常重要的一个模块，是一个能 够跟踪输入信号相位和频率，并输出相位锁定、低抖动、噪声小的频率信号的 系统，在通信系统、数字电路、硬盘驱动电路及c p u 等专用芯片中都是一个必 不可少的单元，并且直接决定了整个系统的工作稳定性和各项指标的好坏。最 初，d e b e i l e s c i z e 于1 9 3 2 年提出同步检波理论，首次公开发表了对锁相环 ( p h a s e 一1 0 c k e dl o o p s ：p l l s ) 的描述，这使得锁相技术首先被用在同步接收 机中，为同步检波提供一个与输入信号载波同频同相的本地参考信号。同步检 波具有能在低信噪比条件下工作及没有大信号检波的一系列失真等优点而受到 人们关注，但在当时并未引起普遍的重视。锁相环路的普遍应用是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 象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。锁相环在空间技术中的应用是从1 9 5 6 年国外发射第一批人造 卫星开始的。这些飞行器载有低功率连续波发射机，接收的距离在数百乃至数 千公里以上，因而接收的信号是异常微弱的，加之有多普勒频移及发射机振荡 器的频率漂移，接收机的带宽必须很宽才行，而噪声强度是与带宽成正比的， 这样信噪比就相当低，约在一1 0 d b 一一3 0 d b 的数量级上。此时只有采用锁相环 路做成的窄带锁相跟踪接收机才能把深埋在噪声中的信号提取出来，普通的接 收技术是无能为力的。所以空间技术的发展促进了人们对锁相环路及其理论的 进一步探讨，极大地推动着锁相技术的发展。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。锁相环路也逐 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，若干年来发展极为迅 速，工艺日新月异，从最初采用分离器件到采用集成电路，从采用双极工艺到 使用c m o s 工艺，从需要外挂电阻和电容到锁相环完全集成在一块芯片上，并 可作为嵌入式i p 核应用在大的数字系统中。现在，国内已有越来越多的高校 在从事以高性能集成锁相环设计为代表的模拟集成电路设计的研究，高性能模 拟集成电路的设计开发也正在成为i c 设计企业技术攻关的难点。 1 4 课题的来源 本设计源于国家信息产业部“嵌入式3 2 位微处理器开发及产业化”( 信运 部 2 0 0 1 9 0 0 号) 项目，主要任务是设计芯片内部集成的锁相环时钟发生器电 路。 1 5 本文主要研究内容 当前，在工程上使用最多的是鉴相器采用p f d 的电荷泵锁相环( c h a r g e p u m pp l l ，c p p l l ) ，相对于采用其它鉴相器的p l l ，c p p l l 有着无限的捕获范 围和稳态相差为零等优点。本文主要研究的是基于s m i c o 1 8 u m 工艺下的电 荷泵锁相电路的后端设计及验证。研究内容包括以下几个部分： ( 1 ) 对电荷泵锁相环的功能原理及电路实现的分析。 ( 2 ) 基于c p p l l 的电路结构及性能要求，对其版图设计的研究。 ( 3 ) 探讨版图后寄生参数的提取方法并进行了其后仿真验证。 1 6 课题的意义 随着半导体工艺技术的发展，深亚微米c m o s 工艺的出现，p l l 的性能不 断提高，应用范围也不断扩展。除了用于传统的频率合成、频率变换、模拟和 数字信号的调制和解调外，p l l 还是高速微处理器不可缺少的部分。当c p u 工 作频率高于兆赫兹时，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。 目前，锁相环的研究主要集中在高速、低噪声、高集成度、低压低功耗 方面，而其核心实用技术又主要掌握在国外几家大企业中，国内i c 设计水平 相对比较落后，模拟电路的设计尤其是高性能的模拟电路设计更是薄弱环节， 因此根据该课题所进行的电荷泵锁相环的版图设计及其后仿真的研究对于模拟 集成电路设计方法的探寻具有重要的指导作用。 1 7 论文结构 本文共分为五章，简述如下： 第一章绪论：介绍了集成电路及锁相环技术的发展概况以及课题来源、内容 和意义。 第二章电荷泵锁相环原理与电路设计实现：系统阐述了电荷泵锁相环的原理 及其电路结构在c m o s 工艺下的实现。 第三章电荷泵锁相环的版图设计：详细给出了在s m i c o 1 8 c m o s 工艺下该电 路后端的版图设计。 第四章版图寄生参数提取与后仿真：基于锁相环中v c o 的测试，完整给出了 一套模拟集成电路的后仿真验证方法。 第五章总结：对论文的主要工作进行了总结。 第二章电荷泵锁相环原理与电路设计实现 2 1 电荷泵锁相环概述 锁相环是一种闭环负反馈系统，即使输出信号在频率和相位上与输入参考 信号同步的电路。当输入信号与输出信号之间存在相差时，反馈控制机制使压 控振荡器输出时钟信号改变，从而使相差减小，最终在同步状态下( 常称为锁 定状态) ，振荡器输出信号和参考信号的频率精确相等，而其相位误差恒定为0 或差值很小。正是由于输出信号的相位锁定于输入信号的相位，故称之为锁相 环。 假如当锁相环路开始工作时，其振荡器的工作频率远离输入频率，那么锁 相环可能会超出捕获范围而达不到锁定状态，因为环路锁定要求输出频率与输 入频率精确相等。为了改善捕获的问题，现代的锁相环除了相位检测外还包含 。 缈抽 图2 - 1 - 1 鉴频和鉴相原理示意 频率检测，如图2 一卜1 所示。其思想是，通过鉴频器比较国。和m 。，产生一个 与。一。成正比的直流电压分量圪，并且将此电压加到负反馈环路的压控振 荡器上。开始时，鉴频器驱使0 9 。值接近国。值，而此时鉴相器保持静止，当 f 珊。一国。i 足够小时，相位锁定环才开始工作，获得锁定。 巧。 r 缈 图2 - 1 - 2 电荷泵锁相环的基本结构 电荷泵锁相环正是遵循这种原理而设计，如图2 一卜2 所示，其基本结构主要 由鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器等几部分构成。若配置其倍 频功能，还可增加若干倍频器。下面进行详述。 2 2 鉴频鉴相器 2 2 1 鉴频鉴相器的原理 鉴频鉴相器简称p f d ( p h a s ef r e q u e n c yd e t e c t ) ，它既能检测周期信号相位 差又可检测其频率差，在功能上实现了图2 1 1 的两个反馈回路的合并，大大 增加了锁相环的捕获范围，即使在恶劣的初始条件下也能保证环路的有效锁定。 2 2 1 1 典型结构 p f d 是一种序列鉴相器，它的电路构成有很多种形式，图2 2 一l 就是其中 的一种经典结构，图中的p f d 由两个d 触发器和一个产生复位信号的与门组 成，触发器的d 输入端都接逻辑“l ”，而我们关心的输入，即参考信号( f ) 和 反馈信号“：( r ) ，作为触发器的时钟，它们的输出端分别定义成“u p ”和“d o w n ”。 p d d 图2 - 2 1 经典p f d 结构 2 2 1 2 状态转换 p f d 电路可以处于下面四个状态中的一个： u p = 0 ，d o w n = 0 u p = 1 d o w n = 0 u p = 0 ，d o w n = 1 u p = 1 d o w n = 1 但实际上第四种情况是不会稳定出现的，因为一旦“u p = i ，d o w n = i ”，输出到d 触发器的与门就会输出逻辑“1 ”将触发器复位。所以这个电路只有三个稳定的 状态，我们用一1 ，0 和1 来表示它们，如表2 1 所示： 6 状态名状态定义 1u p = “l ”：d o w n = “0 ” 0u p = “0 ”：d o w n = “0 ” 一1u p = “0 ”：d o w n = “1 表2 一ip f d 电路的状态定义 电路响应两个信号( 参考时钟砘( f ) 和反馈时钟u 2 ( r ) ) 的上升沿，在上述状态间 不断转换，如图2 2 2 所示，的上升沿驱动p f d 电路进入下一更高状态，直 至电路已处于1 态。类似的，“：的上升沿驱动p f d 电路进入下一较低状态，直 至电路已处于一1 态。 ”( f ) ， 44 图2 - 2 2p f d 状态转换图 2 2 1 3 鉴相鉴频功能 如上所述，只要“( t ) 信号频率高于u 2 ( r ) 或者相位领先于“：o ) ，则每一个 “( t ) 信号的上升沿都会拉起u p 信号：而紧接着“，( f ) 信号的上升沿又把u p 信号 拉低。换言之，这一过程里u p 信号维持高电平的时间近似等于相差氟一：( 这 里氟是信号( f ) 的相位，庐：是1 9 2 ( r ) 的相位) 或频差- - ( 0 2 ( 这里0 3 。是信号地( f ) 的 频率，是虬( r ) 的频率) ，如图2 2 3 所示，p f d 完成了把相差或频差转变成输 出脉冲宽度，实现了鉴相鉴频功能。 “。( f ) 厂 厂 厂 厂 “：( ，) 厂 厂 厂 厂 u p1 111 d o w n “。( ，) 厂 厂 厂 r “：( r ) r 厂 厂 u p1nr 厂 d o w n - ( a ) i 矿2 ( b ) 0 3 l 2 图2 2 3 输出u p 与输入相位差或频率差的关系 2 2 1 4 窄复位脉冲 在实际电路中，上图所示的d o w n 信号直为零的状况是不存在的。由于 p f d 电路里的复位信号不是立即产生的，u p 和d o w n 的高电平信号要经过与门和 d 触发器的内部延迟后才会产生复位信号将触发器的输出拉至低电平。所以在 d o w n 和u p 上会存在宽度大约等于信号经过与门和d 触发器的总延迟时间的复 位脉冲，这就是窄复位脉冲，如图2 2 4 所示。窄复位脉冲的产生是必须而且 有益的。 州虬几几厂 几 啪k 厂 r 广 r 卯000l 聊l l j 一j 一 ( 。) - ； 2 2 2 鉴频鉴相器的电路实现 p f d 的电路实现如图2 2 5 所示，这里要注意两个触发器及输出驱动电路 是完全一致的，这点在版图设计时尤其要考虑。 2 3 电荷泵 p f d c 腩 图2 2 5 提供四个开关信号的改进p f d 电路 6 2 3 1 电荷泵原理 2 3 1 1 基本结构 电荷泵简称c p ( c h a r g ep u m p ) ，它是一种运用电荷在电容中的积累来产生 电压的电路。如图2 3 1 所示，与前级p f d 电路相连的两只电流开关就组成一个 参考时钟“ 反馈时钟 幽2 3 - lp f d 为输入的c p 电路 简单的电荷泵电路。它是由实现开关电流源功能的m o s 晶体管组成，根据两 个逻辑输入信号来决定：是把电荷泵入到环路滤波器的电容还是将电荷从环路 滤波器中泵出。上端的p m o s 晶体管充当泵入开关，u p 信号取反后产生的u p b 控制它的开闭。下端的n m o s 晶体管充当泵出开关，由d o w n 信号控制。泵 入开关开启后，对泵电容c ，充电，“。( ，) 升高；泵出开关开启后，泵电容c ，通 过它放电，u 。( f ) 降低；泵入，泵出管均关闭，则“。( f ) 保持不变。 2 3 1 2 工作状态 p f d 电路的三态通过c p 可以方便的驱动( f ) 的变化：如图2 3 2 所示，当 ( r ) 信号频率高于“：( f ) 或者相位领先于u 2 ( f ) 时，u p 端会产生持续的开关脉冲， 咿l1r1 胁广_ 1_ jii| i 、 i 【。一1 一【u 一【。一 1 l l _ _ j 【 嘞 rf 图2 - 3 2 电荷泵泵入泵出电压波形图 这些脉冲不断的打开泵入管，i p 对电容c 。持续充电，使u d ( f ) 上升；若u 2 0 ) 信号 9 频率高于( f ) 或者相位领先于“( f ) ，d o w n 端会产生持续的开关脉冲，它们将 打开泵出管，c ，通过它不断放电，使d ( f ) 下降；若地( f ) 信号频率和相位精确等 于“2 ( f ) 时，没有输出脉冲u p 或d o w n 产生，因此两管关断，输出r g 五, ( r ) 不 变；在窄复位脉冲产生时，即两管同时导通的瞬间，电流i p 从泵入管流向泵出 管，不经过c 。电路，因此1 1 ( f ) 信号保持不变。 2 3 1 3 “电荷共享”问题 电荷泵的“电荷共享”的问题来源于电流源漏端所存在的一定的电容。其原 理如图2 3 3 所示，开关s 1 和s 2 都断开，那么m 1 使结点x 放电到零电位， 蚝啦 r 4 l啦 图2 - 3 3 存在源漏结电容的电荷泵 m 2 使结点y 充电到v d d 。在下一个相位比较瞬间，开关s 1 和s 2 都导通，从 而比的电压上升，以电压下降，如果忽略在开关s 1 和s 2 上的电压降，则有 “以“，( 图( b ) ) 。如果相位误差为零，而且i 。= ii 。：i ，那么在开关导通时 。值不是维持不变，而是发生了跳变! 即使c 。= c r ，珞和巧的变化量也不相 等。例如，若k 。比较高，则变化量大而变化量较小。这两者变化的差额 必须由c ，来提供，从而导致了k 。，的跳动。 2 3 1 4 抑制“电荷共享”的方法 上述电荷共享现象可以通过“自举”( b o o t s t r a p p i n g ) 的办法来消除。如图 图2 - 3 4 自举电路的实现 1 0 t ，名o n t 岛1 h1 藿缸一 叫， 铲毋 2 3 4 所示，其思路就是在相位比较完后，将和的电位“固定”到 当s 1 和s 2 断开时，s 3 和s 4 导通，再用单位增益放大器将结点x 和y 的电位 保持在，的电压，在下一个相位比较瞬间，s 1 和s 2 导通，s 3 和s 4 断开，这 时候和的电位都等于，所以在c ，和x 点、y 点的电容之间不会发生 电荷共享。 2 3 2 电荷泵的电路实现 采用低压共源共栅偏置结构的c p 电路如图2 3 5 所示。为抑制电荷共享而 图2 3 5 采用低压共源共栅偏置结构的c p 电路 改进的电路主要是p f d 与c p 的接1 ：3 部分，由两只开关改为四只开关，这里是 用m o s 管作为开关。p f d 部分见2 2 2 节。c p 部分见图2 3 6 c p 开关及图2 3 7 电压跟随器。 卜 = 图2 - 3 6 适应电位自举法的改进c p 开关 图2 - 3 7 电压跟随器的设计 2 4 环路滤波器 环路滤波器具有低通特性，在锁相环中起到低通滤波作用，它将鉴相器的 输出高频交流分量滤去，而保留其低频直流分量，该低频直流分量被用来控制 压控振荡器的输出频率。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，这里着重介绍在本设计中使用的无源r c 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，但由于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，如图2 - 4 1 ( a ) 。对单电容结构的改进 1 2 _ 是在电容上串联一个电阻，由于电阻可以引入一个零点，从而解决了稳定性问 z g l 鳓。叭加崦l 劬八一伽，如 一蚴慨i 。# 百。憾 o l ! ! 攀 j | 1 8 0 0i 一 i h o p e n1 幽2 4 1 ( a ) 单电容环路增益特性( b ) 增加一个零点后的环路增益特性 题，如图2 - 4 1 ( b ) ，但这种一阶r c 滤波器同样存在问题，它会造成滤波器输 出电压的波动，这在锁相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 图2 4 2 二阶r c 低通滤波器 问题，如图2 4 2 所示，它通过在一阶r c 滤波器旁边并联一个较小的电容，从 而有效抵制了滤波器输出电压的波动。当然，并联这个小电容后，相当于又引 入了极点，所以整个锁相环的设计要注意稳定性问题。 2 5 压控振荡器 2 5 1 振荡原理 图2 5 1 所示为单位增益负反馈系统，该闭环传输函数为；o ) = 害 h 掌 图2 - 5 一l 简单反馈系统 1 3 l 乞m 口一 当h ( s = j c o 。) = 一1 ，则“增益”趋于无限，电路可以放大自身的噪声直到它最终 开始振荡。换句话说，如果h ( j c o 。) = 一l ，则该电路可以在频率c o 。产生振荡。此 条件可表达成 i h ( j o j 。) 卜1 且么h ( ，) = 1 8 0 0 ，称为“巴克豪森准则” ( b a r k h a u s e n sc r i t e r i a ) 。振荡器是一种设计拙劣的反馈放大器，如果放大器 本身的输出在高频时相移太大而使使整个反馈成了正的，那么振荡就会发生。 更准确地说，如果对于s = ，日( ，) = 一1 ，那么在处，闭环增益趋近无穷 大。在此条件下，电路将其自身在国。处的噪声分量无限放大，如图2 5 2 所示， 唪峄胬书 l 一 ，l 一 一个频率为0 3 。噪声经过单位增益和1 8 0 0 相移，变成与输入信号相位相反振幅相 同的信号接回减法器，经过相减，输入和反馈信号产生更大的差，那么电路持 续”再生”，使频率为国。的信号不断变大。为了能起振，闭环增益必须是单位一 或者更大，这可以通过在信号闭环往复许多周期后将图2 - 5 2 中减法器的输出 = + i h ( j c o o ) 1 + l h ( j c a o ) 1 2g o + i h ( j a ) o ) i v o + 。 如果i h ( j c o 。) l 1 ，上式的和将发散，但如果i h ( j c o 。) l 1 ，1 2 ，指数包络将趋于无穷大，但实际上，随着振荡幅度的增大，信号通路 上和各级电路会经历非线性并最终达到饱和，限制了最大振幅。 1 7 2 5 2 5 三级环形振荡器的大信号分析 图2 5 - 1 1 ( a ) 所示的是一种不需要电阻的环形振荡器的简单实现形式，假设电 ( a ) c m o s 反相器构成的环形振荡器 t 图2 - 5 1 1 ( b ) 三级环形振荡器的节点波形 路开始工作时每个结点的初始电压为反相器的逻辑阈值，如果各级反相器相同 并且器件没有噪声，那么电路将永远保持这个状态，但噪声成分会扰动每个结 点的电压，结果产生不断放大的波形，如图2 5 1 1 ( b ) 所示，最终信号达到电 源电压摆幅。为计算其大信号延时，假设电路开始时= 。，在这个条件下 = 0 且u z = 。，当电路开始工作时，开始降到零，强迫在经过一个反相 器延时n 后上升到。，而吃在经过另一个反相器延时后降到零，如图2 - 5 - 1 2 所示，那么电路在连续结点电压之间以延时振荡，产生的振荡周期为6 ， 也即2 + n + 死。由上节知道，三级环形振荡器的小信号振荡频率为a 。3 。2 ， 而大信号的频率值为1 ( 6 t 。) ，因为m 。是由小信号输出电阻和每个反相器在逻辑 闽值处的电容值决定的，而r 由大信号、非线性电流驱动和每级电路的电容值 咋 眨 d f 图2 - 5 1 2 环形振荡器波形 决定，所以两者没必要相等。实际是当电路在所有反相器处于逻辑阈值释放时， 开始的振荡频率是a o x f 3 c o 。2 ，随着振幅的增加，电路变成非线性的，频率就移 1 8 到了1 ( 6 ) 。 2 5 2 6 四级差动环形振荡器 由于三级环形振荡器的振幅易受非线性因素的限制，因此更常用的是超过 三级电路的环形振荡器，如图2 - 5 1 3 ( a ) 的五级环形振荡器。我们这里采用的 是四级差动环形振荡器，如图( b ) 所示，每一级倒相器采用差动结构，将其中 的一级接成不反相的，就可使得构成的级数为偶数。这种灵活性是差动电路优r 。 l 侈o 爹o 一 ( a ) ( b ) 图2 - 5 ，1 3( a ) 五级单端环形振荡器( b ) 四级差动环形振荡器 于单端电路的优点之一。用二墨0 _ 表示每一级的传输函数，则此四级差 ( 1 + 上) 动环形振荡器的开环传递函数为h ( s ) ：一生，为了能让电路振荡，每 ( 1 + 三) 4 级提供的频率相移必须是1 8 0 0 4 = 4 5 0 ，此时的频率由a r c t a n ( c o o , 。t o 。) = 4 5 0 给出 因此。= 0 9 0 ，由最小电压增益 于三级环形振荡器所要求的值，便于电路实现。 = 1 ，得出a 。= j ，这个值小 2 5 3 压控振荡器原理 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 简称v c o ) 是输入电压控制其 振荡频率的一种振荡电路，其输出频率是一个控制输入的函数，这个控制输入 1 9 圪。 图2 - 5 1 4 压控振荡器框图 国o w 通常是电压，如图2 5 1 4 所示。一个理想的压控振荡器输出频率是其输入电压 图2 - 5 - 1 5 理想v c 0 的输入输出关系 的线性函数，如图2 5 1 5 所示，。= o j 。+ k ，而k 。表示电路的增益或 灵敏度( 单位为r a d ( s v 。) ) ，频率可以达到的范围国：一q 对应的输入k 到的 值称为调节范围。 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，而其工作频率范围又是由滤波器输出的控制电压控制的， 以上节的环形振荡器为例，当其控制电压改变时，通过改变内部电路的电流， 或者改变节点的电阻或电容大小，将造成内部延时单元的单位延时改变，各级 延时变化后，就使得整个闭环的周期改变，即输出时钟频率改变，设单个延时 单元的延时为t 。，延时单元共有n 级，则输出信号频率为五。= 1 2 n ，从而 v c o 实现电压控制频率的变化。 一 实际的压控振荡器的增益一般是非线性的，如图2 5 1 6 所示。且其工作频 率存在上下限。当控制电压超出了其工作范围后，压控振荡器的增益会下降， 2 0 抖 描 一 扫 围 。范 麓全_ 蠢 ， 源 一 电 一 m 一 图 时 一 此时振荡频率不再增加，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。 一般在用线性系统理论分析锁相环时，把压控振荡器的控制电压看作输入， 而把因控制电压变化造成的输出信号相位的变化作为输出，则输出信号相位为 妒。( f ) = k 。- f ，d t ，故压控振荡器的输入输出传递函数为矿( j ) = k 。s 。 2 5 4 压控振荡器的电路实现 2 5 4 1 总体结构图 图2 - 5 1 7v c o 的总体结构图 如图2 5 1 7 所示，这里v c o 的具体实现结构由前置放大器模块，振荡单元模 块，起振模块，和整形电路四个子模块构成。 2 5 4 2 起振模块 因为振荡单元不能自行产生起振信号，所以要有起振模块提供信号。起振 模块( 如图2 5 1 8 ) 通过延迟电路和一个异或门产生启动脉冲，继而通过上拉 p 管和下拉n 管产生两个相位差为1 8 0 。的差动信号，送往振荡单元。 2 5 4 3 前置放大器模块 图2 - 5 1 8 起振模块结构 一 一 。9 ；一 厂躲 一 彳i 一_； 0【 ，皤。 o ； i：