一種對相頻檢測器反饋延時設(shè)計的研究

王興宏，謝長生，張艷飛

（1.中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇無錫 214072；2.無錫中微億芯有限公司，江蘇無錫 214072）

1 引言

隨著無線通信設(shè)備、無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鐘恢復(fù)電路在內(nèi)的通信電路設(shè)計技術(shù)都取得了長足的進步，特別是基于大規(guī)模FPGA和低成本CMOS工藝的集成電路設(shè)計已經(jīng)成為業(yè)界主流。相頻檢測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，檢相器中反饋延時的設(shè)計是鑒相技術(shù)的關(guān)鍵所在。但由于設(shè)計采用的工藝等的不同，如何設(shè)計高精度反饋延時對檢相器設(shè)計來說至關(guān)重要。本文主要研究延時對相頻檢測器[1]的影響，從而說明相頻檢測器中延時的重要性。

2 相頻檢測器的結(jié)構(gòu)及原理

檢相器可分為兩大類：乘法器類檢相器和時序檢相器。前者是將輸入信號與本地振蕩器信號相乘，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的翻轉(zhuǎn)與振蕩信號的翻轉(zhuǎn)之間的時間間隔產(chǎn)生有用誤差來輸出電壓。最重要的時序PD是相頻檢測器(PFD)[2]，這種PFD通常是以邊沿工作的，所以信號的翻轉(zhuǎn)次數(shù)不可減少也不可增多，這就引入了PFD檢測的風(fēng)險，為了有效檢測信號的翻轉(zhuǎn)，在設(shè)計相頻檢測器的過程中，會通過加入延時來降低風(fēng)險。一個基本的PFD如圖1所示[3]，它由兩個RS觸發(fā)器、一些門電路和一個接在反饋回路中的延時（圖中所示為Delay）組成，輸入信號(CLKREF)的翻轉(zhuǎn)和反饋信號(CLKFB)的翻轉(zhuǎn)被加到兩個觸發(fā)器的S端，其中PFD的輸出端分別為UP和DN信號。

圖1 相頻檢測器（PFD）

圖2 相頻檢相器時序

圖2中是PFD的理想化操作時序。信號CLKREF和CLKFB表示為時鐘信號，上升沿觸發(fā)。假設(shè)CLKREF信號是等間距周期性的，而CLKFB信號是周期可變的，即會出現(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）和對齊（如圖2中間）這三種情況。如果超前，那么輸出UP信號的觸發(fā)器就先被打開，當(dāng)遇到CLKFB上升沿來臨時，輸出DN信號的觸發(fā)器被打開，但同時兩個觸發(fā)器立即被關(guān)閉。反之，則情況相反。

通過對圖2中兩種脈沖的相位關(guān)系對比，引進一個相位誤差[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的寬度來指出，這種寬度的衡量用一個占空比來表示，dUP、dDN分別表示脈沖寬度與信號周期之比，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來給出。如果CLKREF上升沿和CLKFB上升沿是嚴(yán)格對齊的，那么兩個觸發(fā)器就同時快速打開和關(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)會造成檢相器的紋波和時鐘抖動，因此需要特別考慮UP、DN電路設(shè)計的對稱性和匹配以減小毛刺，同時通過設(shè)計必要的反饋通路延時部分以減小死區(qū)。

3 PFD中的反饋延時作用和工作機理分析

反饋通路中延時作用如圖3所示。實際電路設(shè)計中，信號都存在一定的上升沿時間，并非立即翻轉(zhuǎn)。一方面當(dāng)兩個輸入信號的相位差很小時，它們的上升沿將靠得非常近。這樣在短時間內(nèi)很難完成整個復(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間內(nèi)為零，即在相頻檢測器中出現(xiàn)死區(qū)，如圖4所示。另一方面，當(dāng)輸入信號的頻率很高時，也會出現(xiàn)同樣的死區(qū)，從而限制了PFD的工作頻率。需要設(shè)計一個觸發(fā)器，使其在CLKREF或CLKFB的激勵邊沿出現(xiàn)后再經(jīng)過一定的時間才可以打開，而CLR（置零）信號要在UP或DN完全打開后再經(jīng)過一定的時間才可以有效，并且要求CLR打開足夠長的時間，才能保證完全可靠地關(guān)閉兩個觸發(fā)器，這時就必須提到復(fù)位信號脈沖寬度，而這個CLR信號寬度就是通過在CLR通路中插入延時來確保的。

圖3 擴展后的PFD信號時序圖

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)所有的信號邊沿是理想情況，對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，UP和DN信號的有效輸出指出了相位誤差。

圖5 掃描確定CLR脈沖寬度時間

由圖5得出，CLR的最小脈沖寬度是57.8 ps，也就是說在CLR通路中至少插入57.8 ps的延時才能確保相頻檢相器工作，但實際上這個延時可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。在大多數(shù)情況下，PFD是用來驅(qū)動電荷泵的[5]，它是一個電子開關(guān)，在每個相位周期內(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關(guān)與PFD中的觸發(fā)器一樣需要一定時間的開關(guān)過程。如果UP和DN開啟狀態(tài)的時間太短（這個開啟時間在相位誤差很小時達(dá)到最?。?，那么電荷泵開關(guān)將永遠(yuǎn)也不能打開。這就給PFD與電荷泵組合結(jié)構(gòu)的s曲線插入了一個死區(qū)。處在死區(qū)上的反饋環(huán)路永遠(yuǎn)不能穩(wěn)定到一個平衡點上，并且會在死區(qū)附近來回晃動，帶來環(huán)路噪聲，由于這些死區(qū)是非線性的，各環(huán)路噪聲之間可能會出現(xiàn)交叉調(diào)制，進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。

為了消除這個死區(qū)，通常采用的辦法是在PFD中插入比上述延時更長的延時，以使兩個觸發(fā)器打開時間足夠長，保證電荷泵開關(guān)在每個周期內(nèi)都能保持同時開啟。但并不是無限加大延時都滿足設(shè)計需要，不妨假設(shè)CLKREF和CLKFB時鐘邊沿正好相差57.8 ps，對上一時鐘周期上升沿輸出的CLR脈沖距離下一時鐘周期的上升沿進行時間掃描。

圖6 掃描確定CLR通路延時時間

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信號相對時鐘上升沿時間，從圖6中得出，這種CLR相對建立時間是164.4 ps。可以看出，既要保證UP和DN信號有效，又要保證CLR反饋延時不能太大，如果反饋延時過大，CLR脈沖會覆蓋了下一個時鐘上升沿，導(dǎo)致時鐘周期滑步，因此必須保證時鐘上升沿與CLR脈沖間有足夠的建立時間[6]，才能確保電荷泵開關(guān)正常開啟。

4 反饋延時對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處存在一個間斷點。由于反饋延時，當(dāng)占空比dUP無限接近+1，dDN無限接近0，但是如果要得到以上兩個占空比結(jié)果，前提是當(dāng)所有邊沿都被PFD恰當(dāng)?shù)貙R，而這就是反饋延時產(chǎn)生的地方。如果延時過長，使得CLR狀態(tài)的長度覆蓋了下一個CLKREF時鐘上邊沿，也就是說這個CLKREF時鐘邊沿消失在了控制CLR狀態(tài)的時間內(nèi)，使PFD誤判斷時鐘CLKFB超前時鐘CLKREF，因而PFD從一條s曲線轉(zhuǎn)移到另外一條s曲線上，CLKREF時鐘邊沿的丟失也會引起周期的滑步。所以在任何情況下，完美的鋸齒波s曲線都會在間斷點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的存在而被減少。

5 結(jié)束語

檢測器鑒相技術(shù)由于延時設(shè)計缺陷，會帶來時鐘周期滑步和丟失等情況，對整個相頻檢測器系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響，特別是在UMC 40 nm工藝下，鑒相器復(fù)位信號脈沖寬度需要幾十皮秒的延時，且與時鐘上升沿有一百多皮秒的相對建立時間，因此在設(shè)計檢測器時，應(yīng)當(dāng)關(guān)注如何通過合理的反饋延時設(shè)計高精度、高分辨率的鑒相器。

參考文獻(xiàn)：

[1]張剛.CMOS集成鎖相環(huán)電路設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013.

[2]Lee J-S,Keel M-S,Lim S,Kim S.Charge Pump with Perfect Current Matching Characteristics in Phase-Locked Loops[J].Electronics Letters,2000.

[3](美)Gardner,F M.鎖相環(huán)技術(shù)(第3版)[M].姚建清，譯.北京：人民郵電出版社，2007.

[4]褚利文，張旭，等.數(shù)字相移測量中的高精度相位誤差補償[J].光學(xué)儀器，2013,01.

[5]Rhee W.Design of High-Performance CMOS Charge Pumps in phase-Loops[C].1999 IEEE International Symposium of Circuits and Systems∶545-548.

[6]黃水龍，王志華，等.快速建立時間的自適應(yīng)鎖相環(huán)[J].電子與信息學(xué)報，2008，09.

[7]M Soyuer,R G Meyer.Frequency Limitations of a Conventional Phase-Frequency Detector[C].IEEE J Solid-State Circuits 25,Aug,1990.