一種改進(jìn)型的CMOS電荷泵鎖相環(huán)電路

引言

在現(xiàn)代通信及電子系統(tǒng)中，鎖相環(huán)(Phase-Locked Loop, PLL)是一種重要的頻率同步與控制技術(shù)。CMOS電荷泵鎖相環(huán)(Charge Pump Phase-Locked Loop, CPPLL)因其開環(huán)增益大、捕獲范圍寬、捕獲速度快、穩(wěn)定度高和相位誤差小等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于無線通信、時(shí)鐘恢復(fù)及頻率合成等領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)CMOS電荷泵鎖相環(huán)電路存在電流失配、電荷共享和時(shí)鐘饋通等問題，這些問題限制了其性能和應(yīng)用范圍。本文設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)型的CMOS電荷泵鎖相環(huán)電路，通過優(yōu)化電荷泵電路和增加開關(guān)噪聲抵消電路，有效解決了上述問題，并擴(kuò)展了鎖相環(huán)的鎖頻范圍。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作機(jī)理

電荷泵鎖相環(huán)通常由鑒頻鑒相器(PFD)、電荷泵電路(CP)、低通濾波器(LPF)、壓控振蕩器(VCO)以及分頻器(FD)構(gòu)成。其工作原理簡(jiǎn)述如下：通過檢測(cè)PFD輸入端的參考信號(hào)fref與環(huán)路反饋信號(hào)fdiv的相差和頻差，輸出相應(yīng)的電壓信號(hào)VUP和VDN，以控制CP的工作狀態(tài)。CP將UP和DN信號(hào)轉(zhuǎn)換為壓控振蕩器的控制電壓VC輸出。VC通過LPF濾除高頻分量，輸出直流電平，最終作為VCO的控制信號(hào)。隨著兩路輸入信號(hào)間的頻差與相差不斷減小，當(dāng)VC達(dá)到某一恒定的電壓值時(shí)，環(huán)路達(dá)到鎖定狀態(tài)。

改進(jìn)型電路設(shè)計(jì)

1. 電荷泵電路設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)電荷泵電路存在充放電電流失配、電荷共享和時(shí)鐘饋通等問題，這些非理想因素會(huì)引入相位誤差，影響鎖相環(huán)的性能。本文提出了一種改進(jìn)型的電荷泵電路，通過以下措施優(yōu)化電路性能：

開關(guān)管位置調(diào)整：為了抑制開關(guān)管時(shí)鐘饋通現(xiàn)象，將開關(guān)管M8和M2與電流鏡管M6和M4的位置進(jìn)行交換，這樣可以有效降低開關(guān)管漏極電壓的變化幅度，從而減少時(shí)鐘饋通對(duì)電荷泵輸出的影響。

增加匹配開關(guān)管：增加了開關(guān)管M1, M7和M9來分別匹配M2, M8和M10，以消除電流鏡像的誤差。同時(shí)，增加的開關(guān)管M11和M12分別與M8和M2反相導(dǎo)通，以抵消時(shí)鐘饋通和電荷共享現(xiàn)象產(chǎn)生的電荷。

負(fù)反饋抑制電流失配：針對(duì)電流鏡失配問題，采用負(fù)反饋方式。M5, M6和M10構(gòu)成電流鏡將基準(zhǔn)電流Iref鏡像后由M6輸出電荷泵的充電電流。M5的漏極電流流過M3，M3與M4構(gòu)成的電流鏡由M4輸出電荷泵的放電電流。放大器OP的引入，在VX節(jié)點(diǎn)形成負(fù)反饋，確保VX=VC，從而幾乎完全消除了電流鏡漏極電壓不同帶來的充放電電流失配問題。

放大器與電容設(shè)計(jì)：放大器OP采用軌對(duì)軌結(jié)構(gòu)，以保證輸入和輸出電壓的擺幅范圍，增大電荷泵輸出電壓的線性范圍。電容C1的引入，既穩(wěn)定了負(fù)反饋環(huán)路，又濾除了VX電壓的毛刺干擾。

2. 倍頻控制模塊

為了擴(kuò)展鎖相環(huán)的鎖頻范圍，設(shè)計(jì)中增加了倍頻控制(Multiple Frequency Control, MFC)模塊。MFC模塊與分頻器和壓控振蕩器配合使用，通過控制位的邏輯輸入，一方面可以編程鎖頻倍數(shù)，控制整個(gè)環(huán)路的倍頻數(shù);另一方面可以控制VCO差分延遲單元的跨導(dǎo)，從而改變VCO的電壓增益，調(diào)節(jié)其輸出范圍。這種設(shè)計(jì)使得鎖相環(huán)能夠覆蓋更寬的頻率范圍，提高了系統(tǒng)的靈活性。

3. 壓控振蕩器設(shè)計(jì)

壓控振蕩器(VCO)是鎖相環(huán)中的關(guān)鍵模塊，其性能直接影響鎖相環(huán)的輸出頻率和穩(wěn)定性。本文設(shè)計(jì)的壓控振蕩器采用四級(jí)差分延時(shí)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制線性度好和噪聲小的優(yōu)點(diǎn)。為了最大化利用電荷泵輸出電壓的范圍，提高鎖相環(huán)的噪聲抑制能力，在壓控振蕩器延遲單元設(shè)計(jì)上采用了分段線性的方式，將延遲時(shí)間分成三段控制。控制電壓VC分別控制MOS管M7, M8和M9的柵極電壓，以形成三路不同電流來控制延遲單元的線性范圍。同時(shí)，為了改善受控電流隨控制電壓VC的線性度，為M7, M8和M9增加了源極負(fù)反饋電阻，優(yōu)化了阻值分別為0.4, 5和50kΩ。此外，為了提高壓控振蕩器的工作頻率，增加了M7的管子個(gè)數(shù)，設(shè)計(jì)中選取M7的管子個(gè)數(shù)是M8和M9的4倍。