一種低抖動電荷泵鎖相環(huán)頻率合成器

楊霄壘，施斌友，黃召軍，季惠才

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 引言

鎖相環(huán)電路是一種重要的數?；旌想娐?，廣泛應用于現代電子技術和通信領域，例如調頻信號解調，移相鍵控信號解調和位捕捉技術。傳統(tǒng)的晶體振蕩器由于提供的頻率較低，因此鎖相環(huán)電路被廣泛應用到當今的微電子電路中。隨著微處理器和通訊系統(tǒng)性能的不斷提高，芯片工作頻率不斷提高，芯片面積不斷縮小，功耗不斷降低，人們對鎖相環(huán)的性能也提出了更高的要求。高速、低功耗、低相位抖動是高性能鎖相環(huán)的三個基本要求。

鎖相環(huán)種類繁多，目前應用最多的是電荷泵鎖相環(huán)，因為電荷泵型鎖相環(huán)與傳統(tǒng)鎖相環(huán)結構相比，具有穩(wěn)定性高、功耗低、輸出頻率信號性能好等特點。本文采用0.13 μm 1.2 V CMOS工藝，設計了一種應用于直接式數字頻率合成器電路的電荷泵鎖相環(huán)電路。

2 鎖相環(huán)電路設計

圖1所示為本文設計的電荷泵鎖相環(huán)頻率合成器電路的原理框圖，由鑒頻鑒相器（PFD）、電荷泵（CP）、環(huán)路濾波器（LF）、壓控振蕩器（VCO）和分頻器（Divider）組成。

圖1 電荷泵鎖相環(huán)頻率合成器電路原理框圖

鑒頻鑒相器檢測輸入參考時鐘和分頻器輸出時鐘間的相位差，產生電荷泵的控制up/down信號。電荷泵根據up/down信號的關系，產生輸出電流，通過環(huán)路濾波器將電流轉換為電壓，從而產生壓控振蕩器的控制電壓信號。壓控振蕩器根據控制電壓的變化調節(jié)輸出頻率。該頻率信號作為鎖相環(huán)的輸出信號，鎖相環(huán)輸出信號經過分頻器后，回到鑒頻鑒相器的輸入端，從而形成一個閉環(huán)的動態(tài)系統(tǒng)。因此整個系統(tǒng)形成一個反饋系統(tǒng)，壓控振蕩器的輸出頻率最終鎖定為參考頻率。

2.1 鑒頻鑒相器

鑒頻鑒相器是鎖相環(huán)的關鍵部件，主要功能是鑒頻和鑒相，即檢測輸入信號與分頻器輸出信號的相位差和頻率差，并據此產生電荷泵的控制信號，它的性能決定著鎖相環(huán)的精度和穩(wěn)定度。

本文設計的電荷泵鎖相環(huán)參考頻率最高為60 MHz，因此我們選擇全數字鑒頻鑒相器，其具體結構如圖2所示。該電路是由RS結構實現的D觸發(fā)器組成的典型結構，圖中4個虛線框內的結構為用兩個與非門構成的鎖存器，1與4完全相同，2與3完全相同，1與2組成一個D觸發(fā)器，3與4組成一個D觸發(fā)器。每個D觸發(fā)器用于檢測輸入信號的下降沿，一旦出現下降沿，將會產生相應的輸出。在復位端加入可控延時單元，消除死區(qū)。

2.2 電荷泵

電荷泵電路是鎖相環(huán)中的重要部分之一，電荷泵按類型可分為電壓型電荷泵和電流型電荷泵，電壓型電荷泵的缺點是在鎖定時，由于對環(huán)路濾波器的充放電不同，其輸出抖動和噪聲都比較大，目前在高性能鎖相環(huán)電路中主要還是采用電流型電荷泵結構，因為該結構的鎖相環(huán)性能穩(wěn)定，抖動性能好。

本文采用的電流型電荷泵結構如圖3所示，它是一種自舉[1]電荷泵結構，相對于傳統(tǒng)的電荷泵結構[2]具有消除電荷共享效應的特點。MP15、MP16、MN6、MN7為開關管，MP15與MP16、MN6與MN7的控制信號相反。單位增益放大器使LPF節(jié)點和放大器輸出點電壓保持相同。當MP15開啟、MP16關閉時，net2通過MP15和單位增益放大器，使net2與LPF電壓相同，從而當MP16開啟時，由于其源漏電壓相同，消除了MP16管的電荷共享效應。同理，當MN6管開啟時，MN7管關閉，net3通過MN6和單位增益放大器使net3與LPF電壓相同，從而當MN7導通時，由于其源漏電壓相同，消除了MN7管的電荷共享效應。

圖2 鑒頻鑒相器電路圖

圖3 自舉電荷泵結構

圖4中為電荷泵的電流產生電路，電流產生電路通過MP3、MP4、MN1、MN2和R2產生電流，由于該電路有兩個收斂點，為了使電路能夠正常啟動，添加了啟動電路，MP1、MP2和MR1為啟動電路。產生的電流通過MP5、MP6、MP7、MP8鏡像電流管，將電流放大，然后通過MP13和MN4鏡像給電荷泵的電流源管MP14和MN5，其中S1、S2、S3為可編程開關，用于控制電荷泵的電流值大小。通過該可編程結構，可產生8種不同的電荷泵輸出電流值，這個可通過數字寄存器來配置選擇。在該電流源產生電路中，MN1管使用的是自然管，主要是因為電荷泵電路工作電壓為1.2 V，而MP4采用二極管連接方式，留給MN1的Vds電壓很小，只有自然管能夠滿足要求。

圖4 電荷泵電流產生電路

2.3 壓控振蕩器

壓控振蕩器是鎖相環(huán)中的關鍵電路，它的性能直接決定了鎖相環(huán)輸出頻率信號的性能。一個負反饋電路的環(huán)路必須滿足以下兩個條件[3]：

也可以將第二個條件理解為總相移為360°。那么電路就會在頻率ω0處振蕩，在存在溫度和工藝變化的情況下，為了確保電路振蕩，我們將選擇環(huán)路增益至少兩倍或三倍于所要求的值。當前工藝一般采用的是環(huán)形振蕩器和LC振蕩器。本文選擇的是環(huán)形振蕩器。

由于本文鎖相環(huán)的最初目標輸出頻率范圍為400 MHz～1 GHz，而電源電壓為1.2 V，因此VCO的控制電壓范圍最大只有0.4 V，因此其VCO增益為1.25 GHz·V-1，該值比較大。高的VCO增益將會帶來大的鎖相環(huán)帶寬，從而降低鎖相環(huán)抖動性能。因此，本文為了降低壓控振蕩器的增益，采用多個壓控振蕩器，即根據輸出頻率要求，通過寄存器配置選擇相應的壓控振蕩器使其工作。每個壓控振蕩器用于輸出某一個頻率范圍，壓控振蕩器的延遲單元個數越少，輸出頻率越高。

圖5所示為每個壓控振蕩器延遲單元的結構，其中S信號為使能信號，Vcont為壓控振蕩器控制信號，Vin1、Vin2為輸入信號，out1、out2為輸出信號。當S為高電平時，其所在的壓控振蕩器工作，當S為低時，其所在的壓控振蕩器關閉。

圖5 延遲單元電路圖

3 電路仿真

圖6所示為本文電荷泵鎖相環(huán)電路的版圖，芯片面積大約為0.6 mm×0.5 mm。

對于輸出頻率為1 GHz、參考頻率為50 MHz的電路，提取版圖寄生參數后，使用Hsim進行仿真。由圖7可以看出此時VCO控制電壓為600 mV，VCO正常工作。電路上電到鎖相環(huán)鎖定的時間大約為4.5 μs。圖8顯示了輸出頻率和參考頻率，輸出時鐘頻率為1 GHz。整個芯片功耗為19.6 mW。圖9使用MATLAB對仿真結果數據進行處理，計算最大周對周抖動為11 ps。

圖6 電荷泵鎖相環(huán)電路版圖

圖7 上電后VCO控制電壓仿真圖

4 結論

本文基于0.13 μm 1.2 V CMOS工藝設計了一個輸出頻率范圍為400 MHz～1 GHz、低抖動的電荷泵鎖相環(huán)電路。電路采用電流型電荷泵自舉結構以消除電荷共享效應，通過多個VCO的選擇來獲得更小的鎖相環(huán)相位抖動。表1為該鎖相環(huán)性能表。

圖8 鎖相環(huán)輸出頻率與參考頻率

圖9 鎖相環(huán)輸出信號抖動

表1 鎖相環(huán)性能表

[1] M G Johnson, E L Hudson. A Variable Delay Line PLL for CPU-Coprocessor Synchronization[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 1988, 23(10): 1218-1233.

[2] Best R E. Phase-locked loops, theory, design and applications (2nd ed) [M]. McGraw-Hill, 1993.

[3] Behzad Razavi著，陳貴燦等譯. Design of Aanlog CMOS Integrated [M]. 西安：西安交通大學出版社，2003.