李瑞豐

（天津安泰微電子技術(shù)有限公司 天津市 300300）

鎖相回路電荷泵可以校正電壓，保證電流穩(wěn)態(tài)，在復(fù)雜環(huán)境中傳統(tǒng)的鎖相回路電荷泵穩(wěn)定性差，不能滿足目前的校準(zhǔn)需求，因此以深組合系統(tǒng)環(huán)境為基礎(chǔ)，提出了自校準(zhǔn)鎖相回路電荷泵設(shè)計(jì)方法。

CMOS 鎖相環(huán)是一種頻繁應(yīng)用于集成電路設(shè)計(jì)中的電路，主要應(yīng)用于調(diào)頻信號(hào)解調(diào)、移相鍵控信號(hào)解調(diào)及位捕捉技術(shù)中。鎖相環(huán)電路結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)是不使用電感線圈，依靠調(diào)節(jié)環(huán)內(nèi)低通濾波器或放大器增益，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的頻率與相位的自動(dòng)跟蹤和對(duì)噪聲的窄帶過(guò)濾等功能。在電荷泵鎖相環(huán)電路中，通常采用開(kāi)關(guān)電流源作為電荷泵，且采用電流鏡電路作為電荷泵電流支路的偏置電路，但是電荷泵在輸出電壓范圍較大時(shí)泵出或者泵入的電流不能完全匹配，該電流誤差將惡化鎖相環(huán)的相位噪聲。自校準(zhǔn)電路的引入可以克服這個(gè)問(wèn)題，但在不同環(huán)境中可能存在電流源輸出阻抗較大的情況，導(dǎo)致電壓增益較高，如果頻率特性不滿足穩(wěn)定條件，則電路發(fā)生振蕩，產(chǎn)生電路安全問(wèn)題[1-2]。

鎖相環(huán)是自動(dòng)幀率控制和自動(dòng)相位控制技術(shù)的融合，該技術(shù)的出現(xiàn)解決了電壓和溫度等因素引起的校準(zhǔn)干擾，其要依賴鎖相環(huán)，由鎖相環(huán)中的分頻器保證信號(hào)的輸出轉(zhuǎn)化。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)系統(tǒng)需要一個(gè)或多個(gè)鎖相環(huán)提供時(shí)鐘信號(hào)。因此，鎖相環(huán)的應(yīng)用可與各類(lèi)模擬電路相媲美，數(shù)字電視、電腦、手機(jī)等都離不開(kāi)鎖相環(huán)。由于電子集成度的提高、鎖相環(huán)出現(xiàn)了頻率增加和線寬的減少的問(wèn)題[3]，傳統(tǒng)的自校準(zhǔn)鎖相環(huán)電荷泵校準(zhǔn)穩(wěn)定性較差，無(wú)法滿足當(dāng)前的校準(zhǔn)要求。因此提出了復(fù)雜環(huán)境中的自校準(zhǔn)鎖相環(huán)電荷泵設(shè)計(jì)方法，以提高校準(zhǔn)穩(wěn)定性。

1 復(fù)雜環(huán)境下自校準(zhǔn)鎖相回路電荷泵優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 分析自動(dòng)校準(zhǔn)鎖相環(huán)環(huán)路參數(shù)

在設(shè)計(jì)鎖相環(huán)電荷泵時(shí)，需要分析自動(dòng)校準(zhǔn)鎖相環(huán)參數(shù)，該參數(shù)可以利用時(shí)間振蕩采集，采集到的噪聲可以作為參數(shù)評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)。一般而言，鎖相回路電荷泵有兩個(gè)參數(shù)，都需要利用鎖相環(huán)噪聲測(cè)定，但由于鎖相環(huán)噪聲測(cè)定方法較復(fù)雜，需要在測(cè)試時(shí)加入預(yù)測(cè)因子。將預(yù)測(cè)因子添加到噪聲源附近，讀取噪聲源附近的異常噪聲，保證采集噪聲數(shù)據(jù)的可用性，確定其整體輸出的噪聲是否符合參數(shù)設(shè)計(jì)需求。在參數(shù)采集時(shí)，需要不斷地重復(fù)上述過(guò)程，最后在鎖相環(huán)的原始噪聲源上增添采集到的噪聲，使得鎖相環(huán)的輸入噪聲超過(guò)鎖相環(huán)原始噪聲，實(shí)現(xiàn)噪聲的采集。

電荷泵將采集到的噪聲數(shù)值輸入到參考時(shí)鐘、鑒相器/電荷泵，以及電子壓控振蕩器中。此時(shí)，鎖相環(huán)的整體噪聲輸出相位呈現(xiàn)疊加狀態(tài)，即疊加了不同來(lái)源的非線性噪聲。鎖相環(huán)傳遞函數(shù)的關(guān)鍵極點(diǎn)是鎖相環(huán)的階數(shù)，即該階數(shù)必須由一個(gè)環(huán)路壓控濾波器直接提供，因此，一個(gè)鎖相環(huán)的總階數(shù)高于環(huán)路壓控濾波器階數(shù)，低電壓可控功率也在校準(zhǔn)信號(hào)源附近。

電荷泵鎖定的單相環(huán)電荷可以為整個(gè)鎖相環(huán)回路提供穩(wěn)定電流。[4]在實(shí)際的射頻應(yīng)用中，通常會(huì)選擇第二階或第三階的低級(jí)環(huán)路濾波器，其主要原因是高階的環(huán)路濾波器極性更大，相位裕度更小，易導(dǎo)致回路振蕩。在真正的環(huán)路相環(huán)中，環(huán)路濾波器的電阻和環(huán)路電容之間的相位變動(dòng)可能會(huì)直接影響環(huán)路相位變動(dòng)裕度，電阻和環(huán)路電容之間的相位變動(dòng)裕度的影響范圍一般在10%～20%左右。因此，設(shè)計(jì)的回路必須設(shè)計(jì)一個(gè)可調(diào)控參數(shù)，以便確定每個(gè)相位的精確裕度。[5]

1.2 復(fù)雜環(huán)境下設(shè)計(jì)自校準(zhǔn)鎖相回路電荷泵基本模塊

本文的復(fù)雜環(huán)境指的是深組合系統(tǒng)，該組合系統(tǒng)利用接收機(jī)輔助信號(hào)的接收，由慣導(dǎo)信息輔助，在組合系統(tǒng)中，自校準(zhǔn)鎖相回路的基本模塊起到了跟蹤作用，該復(fù)雜環(huán)境的綜合系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1：復(fù)雜環(huán)境綜合系統(tǒng)框圖

在上述復(fù)雜環(huán)境中設(shè)計(jì)電荷泵的第一步是確定參數(shù)，在參數(shù)確定后，針對(duì)不同的應(yīng)用需求，鎖相環(huán)的基本模塊組成不同，不同模塊之間的相位速度、功耗、抖動(dòng)頻率，以及捕獲范圍也不同。因此本文在其他條件不斷變化的復(fù)雜環(huán)境下，改進(jìn)鎖相回路，使改進(jìn)后的回路滿足相互集成關(guān)系，除此之外，設(shè)計(jì)的回路還需要在調(diào)諧幅值范圍和速度方面滿足模塊需求。電子壓控振蕩器的輸入信號(hào)會(huì)因?yàn)闇囟然蚱渌に嚩l(fā)生改變，因此需要綜合考慮溫度等因素，以此為依據(jù)設(shè)計(jì)電荷泵的基本模塊。[6-7]

為了彌補(bǔ)溫度帶來(lái)的回路變化，電子壓控振蕩器輸出信號(hào)的頻率和調(diào)諧幅值應(yīng)該比實(shí)際應(yīng)用寬2 倍。在設(shè)計(jì)電子壓控振蕩器模塊時(shí)，需要充分考慮控制線的噪聲影響，這些噪聲會(huì)導(dǎo)致控制線的頻率和相位變化，使得電壓增益下降。為了有效地降低噪聲對(duì)控制線路的影響，可以盡量降低電子壓控振蕩器的頻率，還需要確保鎖相環(huán)在不同頻率下的穩(wěn)定性不發(fā)生改變，使調(diào)諧增益保持在調(diào)諧范圍內(nèi)。[8]除了上述模塊外，還需要設(shè)計(jì)脈沖式分頻器模塊，該模塊可以比較閾值差異，輸入正確的閾值。鑒相器模塊對(duì)輸出頻率信息不敏感，因此當(dāng)鎖相環(huán)啟動(dòng)時(shí)，振蕩器的輸出頻率相差較大，需要輸入?yún)⒖夹盘?hào)以平衡頻率差值。

1.3 實(shí)現(xiàn)亞采樣電荷泵鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)

在電荷泵鎖相環(huán)中，由于環(huán)路濾波器的特殊性，不同的鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)不同，本文設(shè)計(jì)的電荷泵根據(jù)電容電阻需求，將電阻與電容串聯(lián)，增加并聯(lián)電容，降低濾波器的壓力，保證鎖相環(huán)電荷泵校準(zhǔn)的穩(wěn)定性，基于此設(shè)計(jì)的亞采樣結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2：亞采樣電荷泵鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)

由圖2 可知，為了使鎖相環(huán)能夠正確鎖定頻率，在本文設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)中還加入了鎖頻環(huán)，由分頻器和三相鑒頻器組成。

2 仿真測(cè)試

為了測(cè)試本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)校準(zhǔn)鎖相回路電荷泵性能，搭建了仿真測(cè)試平臺(tái)，將未優(yōu)化前的電荷泵與本文設(shè)計(jì)的電荷泵進(jìn)行對(duì)比，具體測(cè)試內(nèi)容如下。

2.1 測(cè)試準(zhǔn)備

搭建的仿真平臺(tái)受鎖相環(huán)噪聲性能的限制，需要設(shè)計(jì)電子壓控振蕩器降低相位噪聲，常規(guī)的電子壓控振蕩器消耗面積較大，電感的集成成本較高，因此，本測(cè)試搭建的仿真平臺(tái)選用新型電子壓控振蕩器，其具有工藝兼容性好、面積小、多相輸出等優(yōu)點(diǎn)。并在電子壓控振蕩器中加入了延時(shí)單元，與TSPC 反相器相比，其具有輸入電容較小的特點(diǎn)，至此完成測(cè)試平臺(tái)搭建。

2.2 測(cè)試結(jié)果與討論

在搭建的仿真平臺(tái)中，始終保持電荷泵處于泵出/泵入狀態(tài)，獲得其泵出/泵入電流的絕對(duì)值，測(cè)試的泵出電流與泵入電流如表1所示。

表1：仿真結(jié)果

由表1 可知，利用本文設(shè)計(jì)的自校準(zhǔn)鎖相回路電荷泵的泵入電流和泵出電流差異較小，差值在3mA 以內(nèi)，相較于初始電荷泵的泵入電流和泵出電流差異值更低，證明所提設(shè)計(jì)方法提高了電荷泵的穩(wěn)定性，改善了電荷泵的性能，其主要原因是，所提方法在考慮電荷泵工作環(huán)境的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行了針對(duì)性設(shè)計(jì)，降低了噪聲、溫度等因素的影響，提高了電流輸出穩(wěn)定性。

3 結(jié)束語(yǔ)

CMOS 電荷泵鎖相環(huán)是模擬及數(shù)?；旌想娐分械囊粋€(gè)基本并且非常重要的模塊，其能夠跟蹤輸入信號(hào)的相位和頻率，并可以輸出鎖定相位、低抖動(dòng)的其它頻率信號(hào)，在通訊、無(wú)線電系統(tǒng)、數(shù)字電路和磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域中都是一個(gè)必不可少的單元，并且直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和各項(xiàng)指標(biāo)的好壞。隨著集成電路的發(fā)展，電路尺寸在逐漸縮小，自校準(zhǔn)回路電荷泵能通過(guò)分頻器和環(huán)形振蕩器滿足校準(zhǔn)需求，促進(jìn)了電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，因此本文對(duì)自校準(zhǔn)鎖相回路電荷泵進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決了該電荷泵不穩(wěn)定的問(wèn)題，改善了該電荷泵的性能，為后續(xù)電子校準(zhǔn)技術(shù)提供參考。