一種基于CMOS工藝的電荷泵鎖相環(huán)芯片的設(shè)計(jì)

鎖相環(huán)路(PLL)是一種能夠跟蹤輸入信號(hào)的閉環(huán)自動(dòng)相位控制系統(tǒng)，其理論基礎(chǔ)為自動(dòng)控制理論。鎖相環(huán)具有載波跟蹤特性，可提取淹沒(méi)在噪聲之中的信號(hào)，制成高性能的調(diào)制器和解調(diào)器；用高穩(wěn)定度的振蕩器做參考頻率，可提供一系列頻率高穩(wěn)定的頻率源，可進(jìn)行高精度的相位與頻率測(cè)量等。在模擬與數(shù)字通信系統(tǒng)中，鎖相環(huán)已成為不可缺少的基本部件。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展與成熟，CMOS工藝以其低成本、低功耗、高集成度的優(yōu)點(diǎn)使得采用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)高性能集成鎖相環(huán)具有十分重要的意義和廣闊的前景。采用電荷泵結(jié)構(gòu)的鎖相環(huán)以其易于集成、低功耗、低抖動(dòng)、無(wú)相差鎖定等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。

　　2 電路設(shè)計(jì)

　　鎖相環(huán)能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)電信號(hào)的相位同步、頻率相同或倍頻。如圖1所示，鎖相環(huán)由4個(gè)基本部件即鑒相器、電荷泵、低通濾波器和壓控振蕩器組成。鑒相器作用是對(duì)兩個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行比較，輸出一個(gè)正比于這兩個(gè)輸入信號(hào)相位差的直流電壓，即一個(gè)上升或下降的脈沖信號(hào)，這個(gè)直流電壓又作用于下一級(jí)電路即開(kāi)關(guān)電荷泵，然后，電荷泵將鑒相器的輸出信號(hào)放大，給低通濾波器的電容充放電。而環(huán)路低通濾波器是用來(lái)濾除鑒相器輸出誤差電壓中的高頻分量，起到濾波平滑作用，以保證環(huán)路穩(wěn)定以及改善環(huán)路跟蹤性能和噪聲特性。最后，壓控振蕩器依據(jù)傳輸過(guò)來(lái)的控制電壓來(lái)改變輸出信號(hào)的頻率和相位，因此整個(gè)系統(tǒng)就形成了一個(gè)反饋系統(tǒng)，最終壓控振蕩器的輸出信號(hào)鎖定在參考信號(hào)的頻率和相位上。

　　2.1 鑒頻鑒相器

　　鑒頻鑒相器是一個(gè)相位比較裝置，用來(lái)檢測(cè)輸入信號(hào)相位與反饋信號(hào)相位之間的相位差，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。PFD比較輸入信號(hào)FINA和FINB的上升沿。當(dāng)信號(hào)FINA的上升沿超前于信號(hào)FINB的上升沿時(shí)，PFD的輸出信號(hào)UP被置為1，而輸出信號(hào)DN為0，當(dāng)FINB的上升沿到來(lái)時(shí)，UP變?yōu)?lsquo;0’，DN 是窄的脈沖；反之，當(dāng)信號(hào)FINB的上升沿超前于信號(hào)FINA的上升沿，PFD的輸出信號(hào)DN被置為‘1’，而輸出信號(hào)UP保持‘0’，當(dāng)FINA的上升沿到來(lái)時(shí)，DN變?yōu)?lsquo;0’，UP是一很窄的脈沖。信號(hào)UP或DN被置為高電平的時(shí)間長(zhǎng)度等于信號(hào)FINA與FINB的相位差。當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，PFD的輸出信號(hào)都保持在低電平。

　　2.2 龜荷泵(CP)

　　在傳統(tǒng)的電荷泵模型中，將PMOS和NMOS看作開(kāi)關(guān)S1，S2，則鑒頻鑒相器(PFD)的數(shù)字信號(hào)輸出UP和DN可能為三種情況：

　　(1)狀態(tài)-1：UP=0，DN=1。這時(shí)開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)，S2閉合，電容進(jìn)行放電，電壓OUT值降低；

　　(2)狀態(tài)0：UP=0，DN=0。這時(shí)開(kāi)關(guān)S1和S2都斷開(kāi)，電壓OUT保持為一個(gè)常量；

　　(3)狀態(tài)1；UP=1，DN=0。這時(shí)開(kāi)關(guān)S1閉合，S2斷開(kāi)，電容進(jìn)行充電，電壓OUT值提高。

　　2.3 壓控振蕩器(VCO)

　　壓控振蕩器是鎖相環(huán)的重要組成部分，很大程度上決定著鎖相環(huán)的性能。它實(shí)現(xiàn)電壓一頻率的變換作用，其振蕩頻率受低通濾波器輸出電壓控制。本文研究的壓控振蕩器是利用電阻和電容，采用正反饋的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)一種差分環(huán)形壓控振蕩器。此差分環(huán)形壓控振蕩器由五級(jí)差分電路構(gòu)成，每一級(jí)的輸出V1，V2接到后一級(jí)的輸入 A，B，最后一級(jí)的輸出與第一級(jí)的輸入相連，其中兩個(gè)公共端子分別為E，C。前級(jí)偏置電路受CP輸出電壓的控制，產(chǎn)生兩路控制信號(hào)E，C，連接到壓控振蕩器的每個(gè)差分部分的控制端。這種VCO具有良好的線性調(diào)諧特性和高的輸出頻率穩(wěn)定度的特點(diǎn)。

　　振蕩器的核心部分由圖3所示差分電路構(gòu)成，PM1管為下端對(duì)稱(chēng)部分提供偏置電流，PM2，PM3起反向作用，將NM1，NM2等效為電阻，則它與相應(yīng)的MOS電容連接的NM3，NM4構(gòu)成了RC延遲因子，且延遲時(shí)間直接受E，C電壓的控制。