莊錦清+李開(kāi)航+羅雪芹

摘 要： 設(shè)計(jì)一款音頻范圍內(nèi)的電荷泵鎖相環(huán)，采用動(dòng)態(tài)D觸發(fā)器鑒頻鑒相器及電流舵差分輸入電荷泵。壓控振蕩器采用了對(duì)電容充放電的形式產(chǎn)生震蕩波形，實(shí)現(xiàn)低頻輸出。采用HHNEC BCD035工藝并用Cadence軟件實(shí)現(xiàn)仿真，實(shí)現(xiàn)250 kHz頻率鎖定，鎖定時(shí)間為80 μs，鎖定時(shí)相位差為75 ns且壓控振蕩器控制電壓紋波為5 mV。

關(guān)鍵詞： 低頻率； 電荷泵鎖相環(huán)； 電荷泵； 壓控振蕩器

中圖分類(lèi)號(hào)： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）16?0148?04

Design of low?frequency charge pump PLL

ZHUANG Jin?qing， LI Kai?hang， LUO Xue?qin

（College of Physics and Electromechanical Engineering， Xiamen University， Xiamen 361005， China）

Abstract： A charge pump PLL working in audio frequency was designed， in which a TSPC?PFD and a current steering charge pump were used. In order to get the low frequency， a VCO that get the output wave by charging or discharging the capacity is used. The circuit is designed with HHNEC BCD035 process and the behavior is simulated with Cadence. The locking frequency of 250 kHz was achieved. Its locking time is 80 μs. when it is locked， the phase difference is 75 ns， and the ripple of the VCO control voltage is 5 mV.

Keywords： low frequency PLL； charge pump PLL； charge pump； VCO

D類(lèi)放大器由于其較高的效率得到了廣泛的應(yīng)用。而如今在高效率D類(lèi)音頻功放中低頻率的鎖相環(huán)也起了重要作用。D類(lèi)音頻功放最常用調(diào)制機(jī)制是脈沖編碼調(diào)制即PWM（Pulse Width Modulation）技術(shù)，將音頻信號(hào)與三角波信號(hào)相比較，經(jīng)采樣得到脈沖寬度與音頻信號(hào)幅度成比例變化的PWM信號(hào)。因而，三角波的穩(wěn)定性影響著音頻信號(hào)調(diào)制的準(zhǔn)確性。鎖相環(huán)以其優(yōu)良的信號(hào)穩(wěn)定性很好地符合了這一要求。另外，鎖相環(huán)還可以用于頻率合成不同頻率的三角波，對(duì)于不同頻率的音頻輸入信號(hào)都能進(jìn)行良好的PWM調(diào)制。鎖相環(huán)一般分為模擬鎖相環(huán)、混合鎖相環(huán)和全數(shù)字鎖相環(huán)，其基本原理結(jié)構(gòu)包括鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LPF）和壓控振蕩器（VCO），如圖1所示。本文主要介紹一款適用于音頻范圍的低頻電荷泵鎖相環(huán)。

1 電荷泵鎖相環(huán)設(shè)計(jì)

本文介紹的電荷泵鎖相環(huán)（CPPLL）屬于混合型鎖相環(huán)，其基本機(jī)構(gòu)如圖2所示，包括鑒頻鑒相器（PFD）、電荷泵（CP）、低通濾波器和壓控振蕩器四個(gè)部分。參考信號(hào)與輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)鑒頻鑒相器比較得到的兩路信號(hào)分別控制電荷泵開(kāi)關(guān)S1，S2，根據(jù)頻率相位比較結(jié)果對(duì)電容Cp進(jìn)行充放電進(jìn)而改變Vcont的大小，控制VCO產(chǎn)生和輸入?yún)⒖夹盘?hào)同頻率同相位的輸出信號(hào)[2]。

圖1 鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 電荷泵鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 鑒頻鑒相器

鑒頻鑒相器是鎖相環(huán)的第一個(gè)環(huán)節(jié)，它將輸出信號(hào)與輸入?yún)⒖夹盘?hào)進(jìn)行頻率相位的比較得到控制信號(hào)。目前主要的鑒頻鑒相器有傳統(tǒng)鑒頻鑒相器（con?PFD）、TSPC?PFD、預(yù)充電鑒頻鑒相器（pt?PFD）、無(wú)死區(qū)鑒頻鑒相器（nc?PFD）。由于設(shè)計(jì)的鎖相環(huán)頻率較低，所以對(duì)于死區(qū)時(shí)間的要求相對(duì)較低，而無(wú)死區(qū)鑒頻鑒相器對(duì)電荷泵的電流匹配度要求很高，預(yù)充電鑒頻鑒相器結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜些，所以綜合考慮本次選用TSPC?PFD，其鑒相范圍接近4π，結(jié)構(gòu)如圖3所示[3]。

圖3 TSPC?PFD結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)fout滯后fref時(shí)，假設(shè)此時(shí)fref由低電平跳變到高電平，fout為低電平，up+輸出為高電平，dn+為低電平。當(dāng)fout跳變至高電平時(shí)，dn+跳變?yōu)楦唠娖?，但由于或非門(mén)的復(fù)位作用使得瞬間dn+、up+全部跳變?yōu)榈碗娖?。?dāng)fout超前fref時(shí)同理。dn+信號(hào)復(fù)位脈沖的寬度可以通過(guò)圖中復(fù)位信號(hào)的延遲時(shí)間以及管子寄生電容來(lái)調(diào)節(jié)。仿真結(jié)果如圖4所示，復(fù)位窄脈沖為1.3 ns。

圖4 PFD仿真結(jié)果（fout相對(duì)fref延遲1 μs）

1.2 電荷泵

電荷泵是CPPLL的重要組成部分，它將鑒頻鑒相器輸出的方波信號(hào)通過(guò)開(kāi)關(guān)電流的方式對(duì)低通濾波器的電容進(jìn)行充放電得到VCO的控制電壓。電荷泵開(kāi)關(guān)控制方式主要有柵極控制、源極控制和漏極控制三種。電荷泵的設(shè)計(jì)主要存在電荷共享、充放電電流的匹配性、時(shí)鐘饋通、開(kāi)關(guān)時(shí)間延遲等問(wèn)題。本文選用采用電流舵技術(shù)的差分輸入電荷泵，如圖5所示。當(dāng)up+為高電平，dn+為低電平時(shí)，管子M1，M3導(dǎo)通，M2，M4關(guān)閉，B、D點(diǎn)電壓迅速升高至VDD，管子M6～M9，M12～M14關(guān)閉。電流源Iss1全部流經(jīng)M1，M5，電流源Iss2全部流經(jīng)M3，M11并鏡像給M10對(duì)電容進(jìn)行充電。同理up+為低電平，dn+為高電平時(shí)，電容放電。若Iss1=Iss2，且，[W9L9W8L8=W10L10W11L11]則充放電電流相等。另外此電路采用了簡(jiǎn)單的正反饋系統(tǒng)，有效地提高了開(kāi)關(guān)速度，同時(shí)由于A，B，C，D點(diǎn)電壓的迅速上拉，開(kāi)關(guān)MOS管從飽和區(qū)進(jìn)入到截止區(qū)，有效地改善了電荷泄露現(xiàn)象。此電路的正反饋系數(shù)由交叉管的尺寸比決定，[α=W6L6W5L5]。其中α不能超過(guò)1，否則會(huì)出現(xiàn)磁滯現(xiàn)象，其典型值[4]為0.75。

圖5 電流舵差分輸入電荷泵

另外，為了讓電荷泵的充放電電流有更好的匹配性，電流鏡采用共源共柵電流鏡，如圖6所示。共源共柵結(jié)構(gòu)有較大的輸出擺幅和較大輸出電阻，有效地減小了VCO控制電壓的波動(dòng)。

圖6 共柵共源電流鏡

電荷泵的充放電仿真結(jié)果如圖7，圖8所示。

圖7 電荷泵充電仿真結(jié)構(gòu)

1.3 低通濾波器

低通濾波器采用二階無(wú)源低通濾波器，如圖9所示。其傳輸函數(shù)為：

[F（s）=1+sτ2s（C1+C2）（1+sτ1）]

式中，[τ1=RC1C2C1+C2]，[τ2=RC2]。

圖8 電荷泵放電仿真結(jié)果

二階低通濾波器在原點(diǎn)存在一個(gè)極點(diǎn)，另引入一個(gè)極點(diǎn)[ωp=1τ1]，一個(gè)零點(diǎn)[ωz=1τ2]，零點(diǎn)進(jìn)行了相位補(bǔ)償，使得鎖相環(huán)更加穩(wěn)定，同時(shí)減小了VCO控制電壓波動(dòng)。

圖9 二階低通濾波器

1.4 壓控振蕩器

壓控振蕩器是CPPLL的關(guān)鍵組成部分，輸出頻率受輸入控制電壓Vcont控制，[ωout=ω0+Kvco?Vcont]，其中ω0為Vcont=0時(shí)的輸出頻率，Kvco表示電路的增益。VCO的主要參數(shù)指標(biāo)有：中心頻率、輸出頻率調(diào)節(jié)范圍（一般要求其大于兩倍的中心頻率）、調(diào)節(jié)線(xiàn)性度（VCO的Kvco值一般并不是一個(gè)常數(shù)，為了使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，選取的Kvco在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)變化應(yīng)盡量小）、輸出振幅、功耗等。目前壓控振蕩器主要有環(huán)形壓控振蕩器以及LC振蕩器。

環(huán)形振蕩器其頻率主要由每一級(jí)的延遲時(shí)間τ以及級(jí)數(shù)N決定，周期T=Nτ。環(huán)形振蕩器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、面積小易集成，同時(shí)有良好的線(xiàn)性度以及較寬的調(diào)節(jié)范圍，但是同時(shí)存在相位噪聲大的缺點(diǎn)。相比之下LC振蕩器具有很好的相位噪聲性能，中心頻率較高，但是由于電感電容面積大不利于集成，同時(shí)調(diào)節(jié)范圍相對(duì)較小。

本文采用圖10所示的線(xiàn)性壓控振蕩器結(jié)構(gòu)。運(yùn)放將A點(diǎn)電壓鉗制在Vcont，通過(guò)電阻R將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)對(duì)電容進(jìn)行充放電，形成三角波，充放電電流大小為[I=W3L3W2L2?VcontR]，可見(jiàn)電流[I]與[Vcont]為線(xiàn)性關(guān)系。而三角波的幅度由圖11中的電流源[ISS]以及電阻R共同決定，頻率則由電容與充放電電流共同決定， [f=1T=14VmCI]，頻率[f]與電流[I]為線(xiàn)性關(guān)系，所以VCO輸出頻率[f]與控制電壓Vcont為線(xiàn)性關(guān)系。

圖10中兩個(gè)比較器將電容C上的電壓與三角波的幅度參考電壓[Vcont±IR]進(jìn)行比較來(lái)控制三角波的跳變。

當(dāng)B點(diǎn)電壓達(dá)到Vref1時(shí)，Comp1輸出低電平，Comp2輸出高電平，SR觸發(fā)器輸出高電平，反饋到充放電回路M11關(guān)閉，M12導(dǎo)通，電容C開(kāi)始放電。當(dāng)B點(diǎn)電壓略小于Vref1時(shí)，Comp1跳變到高電平，Comp2保持不變，SR觸發(fā)器輸出保持。當(dāng)B點(diǎn)電壓減小到Vref2時(shí)，Comp2跳變，SR觸發(fā)器跳變至低電平，M11導(dǎo)通，M12截止，電容C開(kāi)始充電。因而SR觸發(fā)器Q端輸出與三角波同頻率的方波。但這種結(jié)構(gòu)雖然是線(xiàn)性的，其頻率調(diào)節(jié)范圍較小。設(shè)計(jì)所得VCO的輸出頻率范圍為120～400 kHz。

圖10 壓控振蕩器

圖11 VCO中三角波幅度參考電平電路

圖12為VCO的仿真結(jié)果，當(dāng)Vcont=1.3 V時(shí)輸出頻率為250 kHz，信號(hào)占空比為50%，方波輸出擺幅達(dá)到VDD。

圖12 Vcont=1.3 V時(shí)，VCO仿真結(jié)果

1.5 基準(zhǔn)電流源

以上電路中電荷泵以及VCO中都需要提供電流源，本文采用圖13中的基準(zhǔn)電流源結(jié)構(gòu)，其中虛線(xiàn)部分為自啟動(dòng)電路。

1.6 電荷泵鎖相環(huán)整體仿真結(jié)果

以上介紹了電荷泵鎖相環(huán)的基本原理，本文設(shè)計(jì)結(jié)果基于candence仿真軟件，采用HHNEC BCD035工藝設(shè)計(jì)。

電源電壓為3.3 V，輸入?yún)⒖碱l率為250 kHz，電荷泵充放電電流取10 μA，鎖定時(shí)間為80 μs，壓控振蕩器的控制電壓紋波幅度為5 mV，鎖定時(shí)輸出信號(hào)與參考信號(hào)的相位差為75 ns。

圖14為電荷泵鎖相環(huán)輸出波形fout與輸入?yún)⒖夹吞?hào)fref的仿真結(jié)果，圖15為鎖相環(huán)整體仿真時(shí)VCO的輸出電壓Vcont。

圖13 基準(zhǔn)電流源

圖14 CPPLL整體仿真輸出信號(hào)與輸入?yún)⒖夹盘?hào)

圖15 CPPLL整體仿真時(shí)VCO的控制電壓Vcont

2 結(jié) 論

目前的鎖相環(huán)設(shè)計(jì)主要集中在高頻率范圍內(nèi)，而且往更高的頻率發(fā)展。鎖相環(huán)頻率的高低主要取決于壓控振蕩器的輸出頻率。傳統(tǒng)的環(huán)形壓控振蕩器要達(dá)到較低的頻率需要的級(jí)數(shù)太多不利于電路的設(shè)計(jì)。本文采用對(duì)電容充放電的形式得到振蕩波形，其輸出頻率與輸入控制電壓Vcont成線(xiàn)性關(guān)系，輸出方波幅度為VDD。然而為了使電路正常工作，Vcont電壓受到限制，所以輸出頻率范圍較小。若要得到大范圍的輸出頻率需要對(duì)電路進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

[1] ROLAND E. Best 鎖相環(huán)設(shè)計(jì)、仿真與應(yīng)用[M].李永明，譯.

5版.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[2] RAZAVI Behzad.模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)[M].陳貴燦，譯.西安：西安交通大學(xué)出版社，2002.

[3] 李帥.高性能電荷泵鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].武漢：武漢科技大學(xué)，2012.

[4] JUAREZ?HERNANDEZ E. A novel CMOS charging?pump circuit with positive feedback for PLL applications [C]// Proceedings of The 8th IEEE International Conference on Electronics， Circuits and Systems. [S.l.]： IEEE， 2001， 1： 349?352.

[5] 彭卓.D類(lèi)音頻功率放大器的設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué)，2008.

[6] 趙新強(qiáng).高速低功耗CMOS電荷泵鎖相環(huán)的技術(shù)研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2006.

圖5 電流舵差分輸入電荷泵

另外，為了讓電荷泵的充放電電流有更好的匹配性，電流鏡采用共源共柵電流鏡，如圖6所示。共源共柵結(jié)構(gòu)有較大的輸出擺幅和較大輸出電阻，有效地減小了VCO控制電壓的波動(dòng)。

圖6 共柵共源電流鏡

電荷泵的充放電仿真結(jié)果如圖7，圖8所示。

圖7 電荷泵充電仿真結(jié)構(gòu)

1.3 低通濾波器

低通濾波器采用二階無(wú)源低通濾波器，如圖9所示。其傳輸函數(shù)為：

[F（s）=1+sτ2s（C1+C2）（1+sτ1）]

式中，[τ1=RC1C2C1+C2]，[τ2=RC2]。

圖8 電荷泵放電仿真結(jié)果

二階低通濾波器在原點(diǎn)存在一個(gè)極點(diǎn)，另引入一個(gè)極點(diǎn)[ωp=1τ1]，一個(gè)零點(diǎn)[ωz=1τ2]，零點(diǎn)進(jìn)行了相位補(bǔ)償，使得鎖相環(huán)更加穩(wěn)定，同時(shí)減小了VCO控制電壓波動(dòng)。

圖9 二階低通濾波器

1.4 壓控振蕩器

壓控振蕩器是CPPLL的關(guān)鍵組成部分，輸出頻率受輸入控制電壓Vcont控制，[ωout=ω0+Kvco?Vcont]，其中ω0為Vcont=0時(shí)的輸出頻率，Kvco表示電路的增益。VCO的主要參數(shù)指標(biāo)有：中心頻率、輸出頻率調(diào)節(jié)范圍（一般要求其大于兩倍的中心頻率）、調(diào)節(jié)線(xiàn)性度（VCO的Kvco值一般并不是一個(gè)常數(shù)，為了使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，選取的Kvco在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)變化應(yīng)盡量?。?、輸出振幅、功耗等。目前壓控振蕩器主要有環(huán)形壓控振蕩器以及LC振蕩器。

環(huán)形振蕩器其頻率主要由每一級(jí)的延遲時(shí)間τ以及級(jí)數(shù)N決定，周期T=Nτ。環(huán)形振蕩器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、面積小易集成，同時(shí)有良好的線(xiàn)性度以及較寬的調(diào)節(jié)范圍，但是同時(shí)存在相位噪聲大的缺點(diǎn)。相比之下LC振蕩器具有很好的相位噪聲性能，中心頻率較高，但是由于電感電容面積大不利于集成，同時(shí)調(diào)節(jié)范圍相對(duì)較小。

本文采用圖10所示的線(xiàn)性壓控振蕩器結(jié)構(gòu)。運(yùn)放將A點(diǎn)電壓鉗制在Vcont，通過(guò)電阻R將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)對(duì)電容進(jìn)行充放電，形成三角波，充放電電流大小為[I=W3L3W2L2?VcontR]，可見(jiàn)電流[I]與[Vcont]為線(xiàn)性關(guān)系。而三角波的幅度由圖11中的電流源[ISS]以及電阻R共同決定，頻率則由電容與充放電電流共同決定， [f=1T=14VmCI]，頻率[f]與電流[I]為線(xiàn)性關(guān)系，所以VCO輸出頻率[f]與控制電壓Vcont為線(xiàn)性關(guān)系。

圖10中兩個(gè)比較器將電容C上的電壓與三角波的幅度參考電壓[Vcont±IR]進(jìn)行比較來(lái)控制三角波的跳變。

當(dāng)B點(diǎn)電壓達(dá)到Vref1時(shí)，Comp1輸出低電平，Comp2輸出高電平，SR觸發(fā)器輸出高電平，反饋到充放電回路M11關(guān)閉，M12導(dǎo)通，電容C開(kāi)始放電。當(dāng)B點(diǎn)電壓略小于Vref1時(shí)，Comp1跳變到高電平，Comp2保持不變，SR觸發(fā)器輸出保持。當(dāng)B點(diǎn)電壓減小到Vref2時(shí)，Comp2跳變，SR觸發(fā)器跳變至低電平，M11導(dǎo)通，M12截止，電容C開(kāi)始充電。因而SR觸發(fā)器Q端輸出與三角波同頻率的方波。但這種結(jié)構(gòu)雖然是線(xiàn)性的，其頻率調(diào)節(jié)范圍較小。設(shè)計(jì)所得VCO的輸出頻率范圍為120～400 kHz。

圖10 壓控振蕩器

圖11 VCO中三角波幅度參考電平電路

圖12為VCO的仿真結(jié)果，當(dāng)Vcont=1.3 V時(shí)輸出頻率為250 kHz，信號(hào)占空比為50%，方波輸出擺幅達(dá)到VDD。

圖12 Vcont=1.3 V時(shí)，VCO仿真結(jié)果

1.5 基準(zhǔn)電流源

以上電路中電荷泵以及VCO中都需要提供電流源，本文采用圖13中的基準(zhǔn)電流源結(jié)構(gòu)，其中虛線(xiàn)部分為自啟動(dòng)電路。

1.6 電荷泵鎖相環(huán)整體仿真結(jié)果

以上介紹了電荷泵鎖相環(huán)的基本原理，本文設(shè)計(jì)結(jié)果基于candence仿真軟件，采用HHNEC BCD035工藝設(shè)計(jì)。

電源電壓為3.3 V，輸入?yún)⒖碱l率為250 kHz，電荷泵充放電電流取10 μA，鎖定時(shí)間為80 μs，壓控振蕩器的控制電壓紋波幅度為5 mV，鎖定時(shí)輸出信號(hào)與參考信號(hào)的相位差為75 ns。

圖14為電荷泵鎖相環(huán)輸出波形fout與輸入?yún)⒖夹吞?hào)fref的仿真結(jié)果，圖15為鎖相環(huán)整體仿真時(shí)VCO的輸出電壓Vcont。

圖13 基準(zhǔn)電流源

圖14 CPPLL整體仿真輸出信號(hào)與輸入?yún)⒖夹盘?hào)

圖15 CPPLL整體仿真時(shí)VCO的控制電壓Vcont

2 結(jié) 論

目前的鎖相環(huán)設(shè)計(jì)主要集中在高頻率范圍內(nèi)，而且往更高的頻率發(fā)展。鎖相環(huán)頻率的高低主要取決于壓控振蕩器的輸出頻率。傳統(tǒng)的環(huán)形壓控振蕩器要達(dá)到較低的頻率需要的級(jí)數(shù)太多不利于電路的設(shè)計(jì)。本文采用對(duì)電容充放電的形式得到振蕩波形，其輸出頻率與輸入控制電壓Vcont成線(xiàn)性關(guān)系，輸出方波幅度為VDD。然而為了使電路正常工作，Vcont電壓受到限制，所以輸出頻率范圍較小。若要得到大范圍的輸出頻率需要對(duì)電路進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

[1] ROLAND E. Best 鎖相環(huán)設(shè)計(jì)、仿真與應(yīng)用[M].李永明，譯.

5版.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[2] RAZAVI Behzad.模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)[M].陳貴燦，譯.西安：西安交通大學(xué)出版社，2002.

[3] 李帥.高性能電荷泵鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].武漢：武漢科技大學(xué)，2012.

[4] JUAREZ?HERNANDEZ E. A novel CMOS charging?pump circuit with positive feedback for PLL applications [C]// Proceedings of The 8th IEEE International Conference on Electronics， Circuits and Systems. [S.l.]： IEEE， 2001， 1： 349?352.

[5] 彭卓.D類(lèi)音頻功率放大器的設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué)，2008.

[6] 趙新強(qiáng).高速低功耗CMOS電荷泵鎖相環(huán)的技術(shù)研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2006.

圖5 電流舵差分輸入電荷泵

另外，為了讓電荷泵的充放電電流有更好的匹配性，電流鏡采用共源共柵電流鏡，如圖6所示。共源共柵結(jié)構(gòu)有較大的輸出擺幅和較大輸出電阻，有效地減小了VCO控制電壓的波動(dòng)。

圖6 共柵共源電流鏡

電荷泵的充放電仿真結(jié)果如圖7，圖8所示。

圖7 電荷泵充電仿真結(jié)構(gòu)

1.3 低通濾波器

低通濾波器采用二階無(wú)源低通濾波器，如圖9所示。其傳輸函數(shù)為：

[F（s）=1+sτ2s（C1+C2）（1+sτ1）]

式中，[τ1=RC1C2C1+C2]，[τ2=RC2]。

圖8 電荷泵放電仿真結(jié)果

二階低通濾波器在原點(diǎn)存在一個(gè)極點(diǎn)，另引入一個(gè)極點(diǎn)[ωp=1τ1]，一個(gè)零點(diǎn)[ωz=1τ2]，零點(diǎn)進(jìn)行了相位補(bǔ)償，使得鎖相環(huán)更加穩(wěn)定，同時(shí)減小了VCO控制電壓波動(dòng)。

圖9 二階低通濾波器

1.4 壓控振蕩器

壓控振蕩器是CPPLL的關(guān)鍵組成部分，輸出頻率受輸入控制電壓Vcont控制，[ωout=ω0+Kvco?Vcont]，其中ω0為Vcont=0時(shí)的輸出頻率，Kvco表示電路的增益。VCO的主要參數(shù)指標(biāo)有：中心頻率、輸出頻率調(diào)節(jié)范圍（一般要求其大于兩倍的中心頻率）、調(diào)節(jié)線(xiàn)性度（VCO的Kvco值一般并不是一個(gè)常數(shù)，為了使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，選取的Kvco在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)變化應(yīng)盡量小）、輸出振幅、功耗等。目前壓控振蕩器主要有環(huán)形壓控振蕩器以及LC振蕩器。

環(huán)形振蕩器其頻率主要由每一級(jí)的延遲時(shí)間τ以及級(jí)數(shù)N決定，周期T=Nτ。環(huán)形振蕩器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、面積小易集成，同時(shí)有良好的線(xiàn)性度以及較寬的調(diào)節(jié)范圍，但是同時(shí)存在相位噪聲大的缺點(diǎn)。相比之下LC振蕩器具有很好的相位噪聲性能，中心頻率較高，但是由于電感電容面積大不利于集成，同時(shí)調(diào)節(jié)范圍相對(duì)較小。

本文采用圖10所示的線(xiàn)性壓控振蕩器結(jié)構(gòu)。運(yùn)放將A點(diǎn)電壓鉗制在Vcont，通過(guò)電阻R將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)對(duì)電容進(jìn)行充放電，形成三角波，充放電電流大小為[I=W3L3W2L2?VcontR]，可見(jiàn)電流[I]與[Vcont]為線(xiàn)性關(guān)系。而三角波的幅度由圖11中的電流源[ISS]以及電阻R共同決定，頻率則由電容與充放電電流共同決定， [f=1T=14VmCI]，頻率[f]與電流[I]為線(xiàn)性關(guān)系，所以VCO輸出頻率[f]與控制電壓Vcont為線(xiàn)性關(guān)系。

圖10中兩個(gè)比較器將電容C上的電壓與三角波的幅度參考電壓[Vcont±IR]進(jìn)行比較來(lái)控制三角波的跳變。

當(dāng)B點(diǎn)電壓達(dá)到Vref1時(shí)，Comp1輸出低電平，Comp2輸出高電平，SR觸發(fā)器輸出高電平，反饋到充放電回路M11關(guān)閉，M12導(dǎo)通，電容C開(kāi)始放電。當(dāng)B點(diǎn)電壓略小于Vref1時(shí)，Comp1跳變到高電平，Comp2保持不變，SR觸發(fā)器輸出保持。當(dāng)B點(diǎn)電壓減小到Vref2時(shí)，Comp2跳變，SR觸發(fā)器跳變至低電平，M11導(dǎo)通，M12截止，電容C開(kāi)始充電。因而SR觸發(fā)器Q端輸出與三角波同頻率的方波。但這種結(jié)構(gòu)雖然是線(xiàn)性的，其頻率調(diào)節(jié)范圍較小。設(shè)計(jì)所得VCO的輸出頻率范圍為120～400 kHz。

圖10 壓控振蕩器

圖11 VCO中三角波幅度參考電平電路

圖12為VCO的仿真結(jié)果，當(dāng)Vcont=1.3 V時(shí)輸出頻率為250 kHz，信號(hào)占空比為50%，方波輸出擺幅達(dá)到VDD。

圖12 Vcont=1.3 V時(shí)，VCO仿真結(jié)果

1.5 基準(zhǔn)電流源

以上電路中電荷泵以及VCO中都需要提供電流源，本文采用圖13中的基準(zhǔn)電流源結(jié)構(gòu)，其中虛線(xiàn)部分為自啟動(dòng)電路。

1.6 電荷泵鎖相環(huán)整體仿真結(jié)果

以上介紹了電荷泵鎖相環(huán)的基本原理，本文設(shè)計(jì)結(jié)果基于candence仿真軟件，采用HHNEC BCD035工藝設(shè)計(jì)。

電源電壓為3.3 V，輸入?yún)⒖碱l率為250 kHz，電荷泵充放電電流取10 μA，鎖定時(shí)間為80 μs，壓控振蕩器的控制電壓紋波幅度為5 mV，鎖定時(shí)輸出信號(hào)與參考信號(hào)的相位差為75 ns。

圖14為電荷泵鎖相環(huán)輸出波形fout與輸入?yún)⒖夹吞?hào)fref的仿真結(jié)果，圖15為鎖相環(huán)整體仿真時(shí)VCO的輸出電壓Vcont。

圖13 基準(zhǔn)電流源

圖14 CPPLL整體仿真輸出信號(hào)與輸入?yún)⒖夹盘?hào)

圖15 CPPLL整體仿真時(shí)VCO的控制電壓Vcont

2 結(jié) 論

目前的鎖相環(huán)設(shè)計(jì)主要集中在高頻率范圍內(nèi)，而且往更高的頻率發(fā)展。鎖相環(huán)頻率的高低主要取決于壓控振蕩器的輸出頻率。傳統(tǒng)的環(huán)形壓控振蕩器要達(dá)到較低的頻率需要的級(jí)數(shù)太多不利于電路的設(shè)計(jì)。本文采用對(duì)電容充放電的形式得到振蕩波形，其輸出頻率與輸入控制電壓Vcont成線(xiàn)性關(guān)系，輸出方波幅度為VDD。然而為了使電路正常工作，Vcont電壓受到限制，所以輸出頻率范圍較小。若要得到大范圍的輸出頻率需要對(duì)電路進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)。

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