電荷泵鎖相環(huán)

1、一種基于CMOS工藝的電荷泵鎖相環(huán)芯片的設計馮偉平（武漢科技大學信息科學與工程學院湖北武漢430081）1引言鎖相環(huán)路（PLL）是一種能夠跟蹤輸入信號的閉環(huán)自動相位控制系統(tǒng)，其理論基礎為自動控制理論。鎖相環(huán)具有載波跟蹤特性，可提取淹沒在噪聲之中的信號，制成高性能的調制器和解調器；用高穩(wěn)定度的振蕩器做 參考頻率，可提供一系列頻率高穩(wěn)定的頻率源，可進行高精度的相位與頻率測量等。在模擬與數(shù)字通信系 統(tǒng)中，鎖相環(huán)已成為不可缺少的基本部件。隨著大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展與成熟，CMOS工藝以其低成本、低功耗、高集成度的優(yōu)點使得采用CMOS工藝實現(xiàn)高性能集成鎖相環(huán)具有十分重要的意義和廣闊的前景。采用電荷泵結

2、構的鎖相環(huán)以其易于集成、低功耗、低抖動、無相差鎖定等優(yōu)點，得到了廣泛的應用。2電路設計鎖相環(huán)能夠實現(xiàn)兩個電信號的相位同步、頻率相同或倍頻。如圖1所示，鎖相環(huán)由4個基本部件即鑒相器、電荷泵、低通濾波器和壓控振蕩器組成。鑒相器作用是對兩個輸入信號進行比較，輸岀一個正比于這兩個 輸入信號相位差的直流電壓，即一個上升或下降的脈沖信號，這個直流電壓又作用于下一級電路即開關電 荷泵，然后，電荷泵將鑒相器的輸岀信號放大，給低通濾波器的電容充放電。而環(huán)路低通濾波器是用來濾 除鑒相器輸岀誤差電壓中的高頻分量，起到濾波平滑作用，以保證環(huán)路穩(wěn)定以及改善環(huán)路跟蹤性能和噪聲 特性。最后，壓控振蕩器依據傳輸過來的控制電壓

3、來改變輸岀信號的頻率和相位，因此整個系統(tǒng)就形成了 一個反饋系統(tǒng)，最終壓控振蕩器的輸岀信號鎖定在參考信號的頻率和相位上。出】CPPI丄的累嚨框出2.1鑒頻鑒相器鑒頻鑒相器是一個相位比較裝置，用來檢測輸入信號相位與反饋信號相位之間的相位差，其結構如圖2所示。PFD比較輸入信號FINA和FINB的上升沿。當信號FINA的上升沿超前于信號 FINB的上升沿時，PF D的輸出信號UP被置為1，而輸出信號DN為0，當FINB的上升沿到來時，UP變?yōu)?0DN是窄的脈沖； 反之，當信號FINB的上升沿超前于信號 FINA的上升沿，PFD的輸出信號DN被置為1,而輸出信號UP 保持0當FINA的上升沿到來時，D

4、N變?yōu)?, UP是一很窄的脈沖。信號 UP或DN被置為高電平的時 間長度等于信號FINA與FINB的相位差。當環(huán)路鎖定時，PFD的輸出信號都保持在低電平。2.2電荷泵(CP)在傳統(tǒng)的電荷泵模型中，將 PMOS和NMOS看作開關S1, S2,則鑒頻鑒相器(PFD)的數(shù)字信號輸出 UP和 DN可能為三種情況：(1)狀態(tài)-1: UP=O，DN=1。這時開關S1斷開，S2閉合，電容進行放電，電壓 OUT值降低；狀態(tài)0: UP=0，DN=0。這時開關S1和S2都斷開，電壓 OUT保持為一個常量；狀態(tài)1； UP=1，DN=0。這時開關S1閉合，S2斷開，電容進行充電，電壓 OUT值提高。2.3壓控振蕩器(

5、VCO)壓控振蕩器是鎖相環(huán)的重要組成部分，很大程度上決定著鎖相環(huán)的性能。它實現(xiàn)電壓一頻率的變換作用， 其振蕩頻率受低通濾波器輸岀電壓控制。本文研究的壓控振蕩器是利用電阻和電容，采用正反饋的方式來實現(xiàn)一種差分環(huán)形壓控振蕩器。此差分環(huán)形壓控振蕩器由五級差分電路構成，每一級的輸岀V1，V2接到后一級的輸入A， B，最后一級的輸出與第一級的輸入相連，其中兩個公共端子分別為E，C。前級偏置電路受CP輸岀電壓的控制，產生兩路控制信號E, C,連接到壓控振蕩器的每個差分部分的控制端。這種VCO具有良好的線性調諧特性和高的輸岀頻率穩(wěn)定度的特點。振蕩器的核心部分由圖 3所示差分電路構成，PM1管為下端對稱部分提

6、供偏置電流， PM2，PM3起反向作 用，將NM1，NM2等效為電阻，則它與相應的 MOS電容連接的NM3，NM4構成了 RC延遲因子，且延 遲時間直接受E，C電壓的控制。電路中的等效電阻和負載電容決定了電路的振蕩頻率，即；，其中的RNM1 , NM2受前級偏置部分的VE，VC控制。每一級電路所產生的輸出振蕩信號的擺幅為 2IPM1PNM1,NM2。其中E，C 二處的電壓變化應當是反比例變化的，即 E處電壓增大引起飽和 PM1管的電流IPM1減小時，C處電壓須 呈減小趨勢以致線性等效電阻 RNM1,NM2增大，以保證輸出電壓擺幅的基本恒定。由于環(huán)路濾波器的輸岀電壓為一個電壓，要與雙變量控制的

7、VCO振蕩部分連接起來，則必須要用到下面圖4所示的偏置單元，將 VIN單端控制電壓信號轉換為 E，C雙端控制電壓信號，實現(xiàn)更好的線性度和更強 的電壓驅動效果，減少后端振蕩部分隨時間的能量衰減。由圖可知，RES的電阻值和NM1的尺寸決定了 NM3，NM4的柵極電壓，NM4的漏極連接到PM1的漏極， 此處的電壓由PM1的漏電流決定，而此漏電流等于流過NM3，NM4兩管的電流之和，而這兩管的電流又由VIN和E處的電壓來決定。由此相互制約的關系，可以列出關于E點電壓VE，流過NM3的漏極電流IN3以及NM2漏級電壓VX的關系方程如下：IN3 工 非T叫普Vthp )* 一1wIN3 =- Vx - V

8、T1(I)豆嚴wCox (匸)(VR VTEtN)VR-V)VXVJ1由上述三元三次方程即可解出 E處電壓值。C處電壓完全由VE和PM2，NM5的相對尺寸所決定。2.4環(huán)路濾波器環(huán)路濾波器具有低通特性，在鎖相環(huán)中起到低通濾波的作用，而且它對整個環(huán)路系統(tǒng)的參數(shù)設計起著決定 性的作用。本設計采用二階無源低通濾波器，詳見文獻3所述。本系統(tǒng)所設計的鎖相環(huán)可廣泛應用于電源電壓為5 V時，鎖相環(huán)捕捉帶為41110 MHz , 3 V時捕捉帶則為2558 MHz。由文獻5中所述，該系統(tǒng)采取的是電壓型電荷泵，將電壓型轉換為電流型，查出內部MOS飽和導通，保證UP和DN為恒壓源的最大導通電流，可得R1。以電源電

9、壓為5 V，忽略分頻環(huán)節(jié)為例，可以得到：K住=MHz/V = 27, 6 MHz/V魯W1.0(5)綜合約東條件(5)取= 700 kHz,t= U注 意鳳 應當乘以2口則可比由式(6人式(7)得到尺 二704 mR* =20 D./Vpo *7 4頑C(6)則由式(8八式陽可得相位捕捉時間為10附大 頻率捕捉時間約為0.226 ms.Wr(8)3仿真結果采用0.5 口工藝庫,Cadence Spectre工具對本文所設計的鎖相環(huán)設計可以得到下列結果:圖5(a)是電源電壓為3 V時的VCO控制特性曲線，有效工作范圍為 2558 MHz，且線性度良好；圖5(b) 是電源電壓為5 V時的VCO控制特性曲線，有效工作范圍為41110 MHz，且線性度良好。另外通過對VCO起振過程的測量可知，起振時間很小，為 63.5 ns圖6是鎖相環(huán)回路在輸入為 50 MHz時的輸出響應，鎖定時間約為4.6心對電唄為甘Irwwkrt RnnfTR00 5 VCO/FHU * /TM /UPTiw!rM Rmqo叭兀liwi (utf)S 6 帕相殊回