王興宏，謝長(zhǎng)生，張艷飛

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無(wú)錫 214072；2.無(wú)錫中微億芯有限公司，江蘇無(wú)錫 214072）

1 引言

隨著無(wú)線通信設(shè)備、無(wú)線智能終端的普及和高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，包括頻率合成器和時(shí)鐘恢復(fù)電路在內(nèi)的通信電路設(shè)計(jì)技術(shù)都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，特別是基于大規(guī)模FPGA和低成本CMOS工藝的集成電路設(shè)計(jì)已經(jīng)成為業(yè)界主流。相頻檢測(cè)器作為頻率合成的重要組成部分，其鑒相技術(shù)在大量電子器件和集成電路中得以使用，檢相器中反饋延時(shí)的設(shè)計(jì)是鑒相技術(shù)的關(guān)鍵所在。但由于設(shè)計(jì)采用的工藝等的不同，如何設(shè)計(jì)高精度反饋延時(shí)對(duì)檢相器設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。本文主要研究延時(shí)對(duì)相頻檢測(cè)器[1]的影響，從而說(shuō)明相頻檢測(cè)器中延時(shí)的重要性。

2 相頻檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)及原理

檢相器可分為兩大類：乘法器類檢相器和時(shí)序檢相器。前者是將輸入信號(hào)與本地振蕩器信號(hào)相乘，并把乘積的平均值作為其有用的DC輸出；而后者則取決于輸入信號(hào)的翻轉(zhuǎn)與振蕩信號(hào)的翻轉(zhuǎn)之間的時(shí)間間隔產(chǎn)生有用誤差來(lái)輸出電壓。最重要的時(shí)序PD是相頻檢測(cè)器(PFD)[2]，這種PFD通常是以邊沿工作的，所以信號(hào)的翻轉(zhuǎn)次數(shù)不可減少也不可增多，這就引入了PFD檢測(cè)的風(fēng)險(xiǎn)，為了有效檢測(cè)信號(hào)的翻轉(zhuǎn)，在設(shè)計(jì)相頻檢測(cè)器的過(guò)程中，會(huì)通過(guò)加入延時(shí)來(lái)降低風(fēng)險(xiǎn)。一個(gè)基本的PFD如圖1所示[3]，它由兩個(gè)RS觸發(fā)器、一些門電路和一個(gè)接在反饋回路中的延時(shí)（圖中所示為Delay）組成，輸入信號(hào)(CLKREF)的翻轉(zhuǎn)和反饋信號(hào)(CLKFB)的翻轉(zhuǎn)被加到兩個(gè)觸發(fā)器的S端，其中PFD的輸出端分別為UP和DN信號(hào)。

圖1 相頻檢測(cè)器（PFD）

圖2 相頻檢相器時(shí)序

圖2中是PFD的理想化操作時(shí)序。信號(hào)CLKREF和CLKFB表示為時(shí)鐘信號(hào)，上升沿觸發(fā)。假設(shè)CLKREF信號(hào)是等間距周期性的，而CLKFB信號(hào)是周期可變的，即會(huì)出現(xiàn)CLKREF上升沿與CLKFB上升沿存在超前（如圖2中左半段）、滯后（如圖2中右半段）和對(duì)齊（如圖2中間）這三種情況。如果超前，那么輸出UP信號(hào)的觸發(fā)器就先被打開(kāi)，當(dāng)遇到CLKFB上升沿來(lái)臨時(shí)，輸出DN信號(hào)的觸發(fā)器被打開(kāi)，但同時(shí)兩個(gè)觸發(fā)器立即被關(guān)閉。反之，則情況相反。

通過(guò)對(duì)圖2中兩種脈沖的相位關(guān)系對(duì)比，引進(jìn)一個(gè)相位誤差[4]，UP和DN的有效輸出指出了相位誤差的方向，相位誤差的大小則由UP和DN的寬度來(lái)指出，這種寬度的衡量用一個(gè)占空比來(lái)表示，dUP、dDN分別表示脈沖寬度與信號(hào)周期之比，兩者占空比之差d=dUP-dDN表示為凈占空比，以周期為單位的相位誤差可以完全用凈占空比d來(lái)給出。如果CLKREF上升沿和CLKFB上升沿是嚴(yán)格對(duì)齊的，那么兩個(gè)觸發(fā)器就同時(shí)快速打開(kāi)和關(guān)閉，如圖2中間段所示。在這種情況下，凈輸出為UP和DN之間的不平衡引起時(shí)間極短的毛刺。反饋延遲太短，造成PFD工作死區(qū)。毛刺和死區(qū)會(huì)造成檢相器的紋波和時(shí)鐘抖動(dòng)，因此需要特別考慮UP、DN電路設(shè)計(jì)的對(duì)稱性和匹配以減小毛刺，同時(shí)通過(guò)設(shè)計(jì)必要的反饋通路延時(shí)部分以減小死區(qū)。

3 PFD中的反饋延時(shí)作用和工作機(jī)理分析

反饋通路中延時(shí)作用如圖3所示。實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，信號(hào)都存在一定的上升沿時(shí)間，并非立即翻轉(zhuǎn)。一方面當(dāng)兩個(gè)輸入信號(hào)的相位差很小時(shí)，它們的上升沿將靠得非常近。這樣在短時(shí)間內(nèi)很難完成整個(gè)復(fù)位操作，以至于在觸發(fā)器的輸出端產(chǎn)生不確定的翻轉(zhuǎn)，使總的輸出在一段時(shí)間內(nèi)為零，即在相頻檢測(cè)器中出現(xiàn)死區(qū)，如圖4所示。另一方面，當(dāng)輸入信號(hào)的頻率很高時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)同樣的死區(qū)，從而限制了PFD的工作頻率。需要設(shè)計(jì)一個(gè)觸發(fā)器，使其在CLKREF或CLKFB的激勵(lì)邊沿出現(xiàn)后再經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間才可以打開(kāi)，而CLR（置零）信號(hào)要在UP或DN完全打開(kāi)后再經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間才可以有效，并且要求CLR打開(kāi)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，才能保證完全可靠地關(guān)閉兩個(gè)觸發(fā)器，這時(shí)就必須提到復(fù)位信號(hào)脈沖寬度，而這個(gè)CLR信號(hào)寬度就是通過(guò)在CLR通路中插入延時(shí)來(lái)確保的。

圖3 擴(kuò)展后的PFD信號(hào)時(shí)序圖

圖4 PFD的鑒相特性

仿真基于UMC 40 nm工藝，采用Cadence spectre工具，假設(shè)所有的信號(hào)邊沿是理想情況，對(duì)CLR脈沖寬度做掃描仿真分析，掃描精度1 ps，發(fā)現(xiàn)當(dāng)CLR脈沖寬度在57.8 ps時(shí)，UP和DN信號(hào)的有效輸出指出了相位誤差。

圖5 掃描確定CLR脈沖寬度時(shí)間

由圖5得出，CLR的最小脈沖寬度是57.8 ps，也就是說(shuō)在CLR通路中至少插入57.8 ps的延時(shí)才能確保相頻檢相器工作，但實(shí)際上這個(gè)延時(shí)可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。在大多數(shù)情況下，PFD是用來(lái)驅(qū)動(dòng)電荷泵的[5]，它是一個(gè)電子開(kāi)關(guān)，在每個(gè)相位周期內(nèi)向環(huán)路濾波器配給正比于相位誤差的電荷量，而電荷泵中的這些開(kāi)關(guān)與PFD中的觸發(fā)器一樣需要一定時(shí)間的開(kāi)關(guān)過(guò)程。如果UP和DN開(kāi)啟狀態(tài)的時(shí)間太短（這個(gè)開(kāi)啟時(shí)間在相位誤差很小時(shí)達(dá)到最?。?，那么電荷泵開(kāi)關(guān)將永遠(yuǎn)也不能打開(kāi)。這就給PFD與電荷泵組合結(jié)構(gòu)的s曲線插入了一個(gè)死區(qū)。處在死區(qū)上的反饋環(huán)路永遠(yuǎn)不能穩(wěn)定到一個(gè)平衡點(diǎn)上，并且會(huì)在死區(qū)附近來(lái)回晃動(dòng)，帶來(lái)環(huán)路噪聲，由于這些死區(qū)是非線性的，各環(huán)路噪聲之間可能會(huì)出現(xiàn)交叉調(diào)制，進(jìn)而改變了噪聲頻譜的形狀，把本可以濾掉的高頻噪聲改變成不能濾掉的低頻噪聲。

為了消除這個(gè)死區(qū)，通常采用的辦法是在PFD中插入比上述延時(shí)更長(zhǎng)的延時(shí)，以使兩個(gè)觸發(fā)器打開(kāi)時(shí)間足夠長(zhǎng)，保證電荷泵開(kāi)關(guān)在每個(gè)周期內(nèi)都能保持同時(shí)開(kāi)啟。但并不是無(wú)限加大延時(shí)都滿足設(shè)計(jì)需要，不妨假設(shè)CLKREF和CLKFB時(shí)鐘邊沿正好相差57.8 ps，對(duì)上一時(shí)鐘周期上升沿輸出的CLR脈沖距離下一時(shí)鐘周期的上升沿進(jìn)行時(shí)間掃描。

圖6 掃描確定CLR通路延時(shí)時(shí)間

在圖5確定了CLR脈沖寬度至少需要57.8 ps之后，將這一數(shù)據(jù)帶入CLR的脈沖寬度參數(shù)中，掃描CLR信號(hào)相對(duì)時(shí)鐘上升沿時(shí)間，從圖6中得出，這種CLR相對(duì)建立時(shí)間是164.4 ps。可以看出，既要保證UP和DN信號(hào)有效，又要保證CLR反饋延時(shí)不能太大，如果反饋延時(shí)過(guò)大，CLR脈沖會(huì)覆蓋了下一個(gè)時(shí)鐘上升沿，導(dǎo)致時(shí)鐘周期滑步，因此必須保證時(shí)鐘上升沿與CLR脈沖間有足夠的建立時(shí)間[6]，才能確保電荷泵開(kāi)關(guān)正常開(kāi)啟。

4 反饋延時(shí)對(duì)PFD的影響

圖7 理想PFD的s曲線

圖7中的鋸齒形s曲線在相位誤差為±2π處存在一個(gè)間斷點(diǎn)。由于反饋延時(shí)，當(dāng)占空比dUP無(wú)限接近+1，dDN無(wú)限接近0，但是如果要得到以上兩個(gè)占空比結(jié)果，前提是當(dāng)所有邊沿都被PFD恰當(dāng)?shù)貙?duì)齊，而這就是反饋延時(shí)產(chǎn)生的地方。如果延時(shí)過(guò)長(zhǎng)，使得CLR狀態(tài)的長(zhǎng)度覆蓋了下一個(gè)CLKREF時(shí)鐘上邊沿，也就是說(shuō)這個(gè)CLKREF時(shí)鐘邊沿消失在了控制CLR狀態(tài)的時(shí)間內(nèi)，使PFD誤判斷時(shí)鐘CLKFB超前時(shí)鐘CLKREF，因而PFD從一條s曲線轉(zhuǎn)移到另外一條s曲線上，CLKREF時(shí)鐘邊沿的丟失也會(huì)引起周期的滑步。所以在任何情況下，完美的鋸齒波s曲線都會(huì)在間斷點(diǎn)附近以某種形式變壞，理想化的±2π的相位誤差范圍正是由于反饋延時(shí)的存在而被減少。

5 結(jié)束語(yǔ)

檢測(cè)器鑒相技術(shù)由于延時(shí)設(shè)計(jì)缺陷，會(huì)帶來(lái)時(shí)鐘周期滑步和丟失等情況，對(duì)整個(gè)相頻檢測(cè)器系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響，特別是在UMC 40 nm工藝下，鑒相器復(fù)位信號(hào)脈沖寬度需要幾十皮秒的延時(shí)，且與時(shí)鐘上升沿有一百多皮秒的相對(duì)建立時(shí)間，因此在設(shè)計(jì)檢測(cè)器時(shí)，應(yīng)當(dāng)關(guān)注如何通過(guò)合理的反饋延時(shí)設(shè)計(jì)高精度、高分辨率的鑒相器。

參考文獻(xiàn)：

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